estudo de motores de combustão interna
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7/22/2019 Estudo de Motores de Combusto Interna
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
Estudo de Motores de Combusto InternaAplicando Anlise Orientada a Objetos
Jos Eduardo Mautone Barros
Orientador: Prof. Dr. Ramn Molina Valle
Belo Horizonte, Fevereiro de 2003
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Estudo de Motores de Combusto InternaAplicando Anlise Orientada a Objetos
Jos Eduardo Mautone Barros
Orientador: Prof. Dr. Ramn Molina VallePrograma de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica
rea de Concentrao: Calor e Fluidos
Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao emEngenharia Mecnica da Escola de Engenharia daUniversidade Federal de Minas Gerais, como parte dosrequisitos para obteno do ttulo de Doutor emEngenharia Mecnica.
Belo Horizonte, Fevereiro de 2003
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RESUMO
Este trabalho trata do estudo de motores de combusto interna visando sua modelagem. Aanlise orientada a objetos foi a abordagem escolhida para elaborar o modelo, por permitir suaevoluo de maneira estruturada e com grande reutilizao de cdigos computacionais. Aorientao a objetos tambm permite o encapsulamento de dados e mtodos, tornandoindependente os modelos relacionados a um dado componente do motor. O objetivo propor ummodelo matemtico e computacional para previso de desempenho de motores de combustointerna alternativos de ignio por centelha. Uma reviso da literatura apresentada cobrindo
preferencialmente os desenvolvimentos dos ltimos 10 anos na rea de modelagem e ensaios.Um modelo algbrico, baseado em eficincias, apresentado para fins de estudo inicial de ummotor. O modelo de objetos apresentado e discutido numa estrutura de implementao top-down. O equacionamento dos gases dentro do cilindro baseado nas equaes de conservao,incluindo a equao de conservao de quantidade de movimento que usualmente excluda nosmodelos apresentados na literatura sobre motores. Um modelo de queima em duas zonas proposto baseado no equacionamento de onda de combusto, permitindo representar adeflagrao e detonao da mistura no mesmo conjunto de equaes diferenciais. So propostasnovas relaes empricas para a estimativa do fator de turbulncia na combusto e para ocoeficiente de descarga, com escoamento compressvel, em vlvulas tipo borboleta. Umadiferente implementao do procedimento numrico-grfico da evoluo da frente de chama na
cmara de combusto proposta e discutida. Os diagramas de classes para os componentes domotor so apresentados usando a linguagem padro UML, orientada a objetos. Os resultados desimulao so apresentados para um motor monocilindro, usando gasolina pura e uma misturagasolina/etanol. O modelo implementado foi capaz de reproduzir os dados experimentais dedesempenho, com uma incerteza inferior a 4 %. So apresentados e discutidos os resultados desimulao para as propriedades no interior do cilindro. tambm analisada a capacidade doprograma em modelar o fenmeno de detonao, visando calcular o avano ignio timo, parauma dada condio de operao. O cdigo fonte do programa ser disponibilizado a comunidadecom uma licena tipo GPL.
Palavras chave: Motores de Combusto Interna, Combusto, Simulao, Orientao a Objetos
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ABSTRACT
The work is an internal combustion engine modeling study. The object oriented analysis was
chosen for develop the model to improve the computational codes. The object oriented approach
allows to encapsulate all data and methods related to a motor component, becoming a complete
independent model. The main objective is propose a mathematical and computational model for
a spark ignition, reciprocating internal combustion engine. A review is presented and cover the
last 10 years of modeling development. A algebraic model is presented to allow initial analysis
of an motor. The object model is presented and discussed following a top-down structure. The
internal cylinder gas is described by conservation equations, including the momentumconservation equation that was excluded from models presented in the literature. A two zones
model, based on combustion wave equations, is presented, allowing to simulate deflagration and
detonation with he same differential equations set. Empirical relations are proposed for the
combustion turbulence factor and for the butterfly valve discharge coefficient with compressible
flow. Also, a different implementation of the numeric/graphic geometric combustion chamber
model for flame propagation is presented. All classes diagrams are presented following the
standard UML. The simulation results are presented for a one cylinder engine, using pure
gasoline and a mixture of gasoline/ethanol. The model presented was able to predict the
performance parameters within 4 % from the experimental data. Internal cylinder simulation
parameters are presented and discussed. Also, an analysis of detonation and advance angle
optimization is presented. The code will be distributed under the GPL rules.
Keywords: Internal Combustion Engines, Combustion, Simulation, Object Orientation
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Dedico este trabalho a minha esposa Delba e a meu filho Otvio,
pela pacincia que tiveram comigo.
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Ramn Molina Valle, pela orientao efetiva e presente.
Ao amigo Paulo Srgio da Silva, pela ajuda na realizao deste trabalho.
A todos os professores que tive ao longo da vida.
A FAPEMIG, Projeto No. 822/98, financiadora do presente trabalho.
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HOMENAGEM
Aos 10000 anos dos ffeitos de Alberto Santos Dumont
Motor Dion-Bouton projetado por Santos Dumont parao Dirigvel "N 1", 1898, com 3,5 hp a 120 rpm.
Legenda: A e B - Cilindros sobrepostos, C - Hlice, D - Bobinas, E - Tubos de escapamento,
F - Carburador, G - Tubo de combustvel, H - Tanque de combustvel.
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SUMRIO
1. INTRODUO 1
2. ESTADO DA ARTE (REVISO BIBLIOGRFICA) 2
3. OBJETIVOS E RELEVNCIA 19
4. MODELAGEM DO MOTOR DE COMBUSTO INTERNA(Ciclo OTTO) 21
4.1. Modelo Algbrico No-Ideal 21
4.2. Modelo Orientado a Objeto 314.2.1. Sistemas Envolvidos 314.2.2. Modelo de Uma Zona (TReciprocatingEngineModel) 344.2.3. Modelo de Duas Zonas (TTwoZonesEngineModel) 384.2.4. Modelo do Motor Alternativo a Pisto (TReciprocatingEngine) 464.2.5. Modelo de Atrito (TFrictionModel) 524.2.6. Modelo de Perda de Calor (THeatLossModel) 534.2.7. Modelo de Combusto (TCombustionModel) 544.2.8. Modelo de Coletor (TIdealPlenumModel) 624.2.9. Modelo de Gs Ideal (TIdealGas) 654.2.10. Modelo de Escoamento Isentrpico (TIsentropicFlow) 734.2.11. Modelo de Turbocompressor e Sobrealimentadores 754.2.12. Modelo de Carga 75
4.2.13. Modelos de Componentes do Motor 774.2.14. Classes Auxiliares 1014.2.15. Estrutura do Programa Principal 110
5. RESULTADOS E ANLISE 1135.1. Ensaios Dinamomtricos 1155.2. Resultados e Anlise para o Motor Monocilindro 118
5.2.1. Parmetros Globais de Ciclo 1185.2.2. Parmetros de Um Ciclo 1275.2.3. Anlise Multiciclo 1435.2.4. Anlise de Avano de Ignio 1455.2.5. Outros Aspectos 148
6. CONCLUSES 150
7. SUGESTES PARA FUTUROS TRABALHOS 154
8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 155
ANEXO A Especificaes das Classes
ANEXO B Dados de Entrada do Programa
ANEXO C Relatrios de Simulao
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 (A) Detonao em Motores ICE (Obert, 1971), (B) Propagao da Frente deChama (Taylor, 1988) em motores ICE e (C) Instabilidade Taylor-Markstein(Strehlow, 1985) 7
FIGURA 2.2 - Tela do programa GECAT para anlise de ciclo real de motores tipoturbina a gs 18
FIGURA 4.1 Ciclo no-ideal calculado pelo modelo algbrico paraum cilindro do motorFIAT FIRE 1.3 22
FIGURA 4.2 Resultados do modelo algbrico para o motor FIAT FIRE 1.3 30
FIGURA 4.3 Sistemas envolvidos na modelagem do motor de combusto interna 31
FIGURA 4.4 Diagrama de classes dos modelos do motor alternativo a pisto 33
FIGURA 4.5 Volume de controle para o modelo de Uma Zona (Zerodimencional) 35
FIGURA 4.6 Volume de controle para o modelo de Duas Zonas (Quase-dimencional)39
FIGURA 4.7 Diferenas nas condies de contorno nos modelos de Onda de Combusto44
FIGURA 4.8 Diagrama de classes dos componentes e modelos auxiliares do motor
alternativo a pisto 47
FIGURA 4.9 Esquema geomtrico do movimento do conjunto pisto/biela/virabrequim.49
FIGURA 4.10 Diagrama de classes dos modelos de atrito 52
FIGURA 4.11 Diagrama de classes do modelo de perda de calor 53
FIGURA 4.12 Diagrama de classes dos modelos de combusto 54
FIGURA 4.13 Velocidade de chama laminar em condies padres de vrioscombustveis versus razo de equivalentes ar/combustvel 57
FIGURA 4.14 Damkhler versus Reynolds da escala integral para motores MIT 59
FIGURA 4.15 Diagrama de regimes de combusto com a localizao da operao dosmotores MIT 59
FIGURA 4.16 Fator de turbulncia versus Reynolds de admisso, dimetro adimensionale regime de combusto para motores MIT 60
FIGURA 4.17 Diagrama de classes dos modelos de coletores 62
FIGURA 4.18 Coletores tpicos em um Motor de Combusto Interna. 63
FIGURA 4.19 Volume de controle para o modelo de enchimento e esvaziamento (Quase-dimensional) para Coletores. 63
FIGURA 4.20 Diagrama de classes dos modelos de gs ideal 65
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LISTA DE FIGURAS (cont.)
FIGURA 4.21 Esquema para o modelo de escoamento isentrpico atravs de um orifcio.73
FIGURA 4.22 Diagrama de classes para modelos de turbocompressores esobrealimentadores 76
FIGURA 4.23 Diagrama de classes para modelos de carga 76
FIGURA 4.24 Modelo da biela (Taylor, 1988) 77
FIGURA 4.25 Diagrama de classes da cmara de combusto 78FIGURA 4.26 Zonas em uma cmara de combusto cilndrica com vela central. 79
FIGURA 4.27 Desenho das zonas em uma cmara de combusto cilndrica com velacentral, para uma determinada posio do pisto e vrios raios de chama 80
FIGURA 4.28 Volume da zona de gs queimado/volume morto para uma cmara decombusto cilndrica com vela central. 82
FIGURA 4.29 rea da frente de chama/rea transversal do cilindro para uma cmara decombusto cilndrica com vela central. 82
FIGURA 4.30 rea de transferncia de calor da zona de gs queimado/rea lateral do
volume morto para uma cmara de combusto cilndrica com vela central. 83FIGURA 4.31 rea molhada do pisto pela zona de gs queimado/rea do pisto em umacmara de combusto cilndrica com vela central. 83
FIGURA 4.32 Desenho 3D de uma cmara de combusto tipo cunha, pisto comreentrncia hemisfrica e com vela central (motor FIAT FIRE 1.3). 84
FIGURA 4.33 Diagrama de classes de coletor 84
FIGURA 4.34 Diagrama de classes de came 85
FIGURA 4.35 Elevaes para diferentes tipos de came 87
FIGURA 4.36 Geometria tpica de um came medido 87FIGURA 4.37 Diagrama de classes de orifcio, vlvula e janela 88
FIGURA 4.38 Geometria da vlvula tipo trompete 89
FIGURA 4.39 Mapa de operao para uma vlvula tipo trompete funcionando comoadmisso (fluxo direto), gs frio 91
FIGURA 4.40 Mapa de operao para uma vlvula tipo trompete funcionando comoexausto (fluxo reverso), gs quente 91
FIGURA 4.41 Geometria da vlvula tipo borboleta 92
FIGURA 4.42 Coeficiente de descarga em funo do Reynolds e do ngulo de aberturade vlvulas borboletas, meio compressvel, regime subsnico 93
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LISTA DE FIGURAS (cont.)
FIGURA 4.43 Coeficiente de descarga em funo do Reynolds e do ngulo de aberturade vlvulas borboletas, meio compressvel, regime snico (escoamento entupido) 93
FIGURA 4.44 Coeficiente de descarga em funo do ngulo de abertura de vlvulasborboletas, meio compressvel, regime subsnico e snico (entupido) 94
FIGURA 4.45 Mapa de operao para uma vlvula tipo borboleta funcionando nocoletor de admisso 96
FIGURA 4.46 Diagrama de classes de misturadores ar/combustvel 96
FIGURA 4.47 Curva de operao do carburador do motor Briggs-Stratton 195400, de319 cm3 99
FIGURA 4.48 Diagrama de classes de sistema de resfriamento 99
FIGURA 4.49 Diagrama de classes de controle de avano 100
FIGURA 4.50 Diagrama de classes auxiliares 108
FIGURA 4.51 Diagrama de casos de usos para o programa CARE 111
FIGURA 4.52 Formulrio principal do programa CARE 113
FIGURA 5.1 Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, monocilindro, quatro tempos,5kW e 319 cm3 115
FIGURA 5.2 Desempenho medido e simulado, para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 119
FIGURA 5.3 Comparao entre desempenho ideal, desempenho medido, desempenhosimulado e desempenho motorizado para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400,usando gasolina A e gasolina C 120
FIGURA 5.4 Consumo de combustvel medido e simulado, para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 122
FIGURA 5.5 Consumo especfico de combustvel medido e simulado, para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 122
FIGURA 5.6 Vazo de ar de admisso medido e simulado, para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 123
FIGURA 5.7 Eficincia volumtrica medida e simulada, para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 123
FIGURA 5.8 Eficincia trmica padro ideal, medida e simulada, para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A e gasolina C 125
FIGURA 5.9 Eficincias de combusto, padro, trmica, exergtica e ideal, simuladas,para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A 125
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LISTA DE FIGURAS (cont.)
FIGURA 5.10 Razo de mistura ar/combustvel, em massa, estequiomtrica, ideal,medidas e simuladas, para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A egasolina C 126
FIGURA 5.11 Concentraes de CO e CO2, em base seca, e temperatura de exausto,medidas e simuladas, para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina C
126
FIGURA 5.12 Densidades ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton,
modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 128FIGURA 5.13 Presses ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400,usando gasolina A, a 2400 rpm 128
FIGURA 5.14 Temperaturas ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 129
FIGURA 5.15 Velocidades ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 129
FIGURA 5.16 Comparao entre velocidades do gs, velocidade do pisto e a previstapelo modelo de Woschni, Motor Briggs&Stratton, 195400, usando gasolina C, a 1800 rpm
131FIGURA 5.17 Concentraes ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 131
FIGURA 5.18 Concentraes ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina C, a 2400 rpm 132
FIGURA 5.19 Concentraes na exausto, ao longo do ciclo, para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, a 2400 rpm 132
FIGURA 5.20 Torques ao longo do ciclo para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400,usando gasolina A, a 1800, 2400 e 3600 rpm 133
FIGURA 5.21 Disponibilidade e Irreversibilidade ao longo do ciclo para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 133
FIGURA 5.22 Presses durante a admisso para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 135
FIGURA 5.23 Presses durante a exausto para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 135
FIGURA 5.24 Vazes mssicas durante a admisso para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 136
FIGURA 5.25 Vazes mssicas durante a exausto para o Motor Briggs&Stratton,
modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 136
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LISTA DE FIGURAS (cont.)
FIGURA 5.26 Vazo mssica de Blow-by para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 137
FIGURA 5.27 Volumes no cilindro durante a combusto para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, a 2400 rpm 137
FIGURA 5.28 Frao mssica queimada durante a combusto para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, a 2400 rpm 139
FIGURA 5.29 Raio de chama durante a combusto para o Motor Briggs&Stratton,
modelo 195400, a 2400 rpm 139
FIGURA 5.30 Presso no cilindro a combusto para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, a 2400 rpm 140
FIGURA 5.31 Presso do gs queimado e do gs no queimado durante a combustopara o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina C, a 2400 rpm 140
FIGURA 5.32 Temperaturas no cilindro durante a combusto para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, a 2400 rpm 141
FIGURA 5.33 Velocidades no cilindro durante a combusto para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando gasolina A, a 2400 rpm 141
FIGURA 5.34 Seqncia de ciclos estveis de presso para o Motor Briggs&Stratton,modelo 195400, usando a gasolina C, a 2400 rpm 144
FIGURA 5.35 Espectro de freqncias dos dados de torque para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando a gasolina C, a 2400 rpm 144
FIGURA 5.36 Espectro de freqncias dos dados de presso para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando a gasolina C, a 2400 rpm 145
FIGURA 5.37 Temperatura do gs no-queimado em funo da variao do ngulo deavano para o Motor Briggs&Stratton, modelo 195400, usando a gasolina A, a 2400 rpm
146
FIGURA 5.38 Presso do gs em funo da variao do ngulo de avano para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando a gasolina A, a 2400 rpm 147
FIGURA 5.39 Torque em funo da variao do ngulo de avano para o MotorBriggs&Stratton, modelo 195400, usando a gasolina A, a 2400 rpm 147
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LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1. - Incertezas nas medies exigidas pela Norma NBR-ISO-1585 16
TABELA 4.1 Constantes para clculo da velocidade de queima laminar em condiespadres para vrios combustveis (Heywood, 1988) 56
TABELA 4.2 Especificaes dos casos de usos do programa CARE 113
TABELA 5.1 Caractersticas do Motor Briggs&Stratton, modelo 195400 116
TABELA 5.2 Incertezas de medio para ensaios dinamomtricos do Motor
Briggs&Stratton, modelo 195400, realizado por S, 2001 117
TABELA 5.3 Incertezas de medio para dados dinamomtricos do fabricante do MotorBriggs&Stratton, modelo 195400 117
TABELA 5.4 Custos de simulao de uma ou mais configuraes de motor 148
TABELA 5.5 Custos de ensaio de motor, por configurao (fonte CETEC-MG) 148TABELA 6.1 Comparao entre grupos tecnolgicos de simulao de motores decombusto interna 153
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SIMBOLOGIA
ABNT Associao Brasileira de Normas TcnicasAGR Admission Gas Recirculation Recirculao de Gs de AdmissoASTM American Society of Testing Materials Sociedade Americana de Testes de MateriaisBDC Bottom Dead Center mesmo que PMICARE Cycle Analysis of Reciprocating Engine Anlise de Ciclo para Motores AlternativosCEFET-MG Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas GeraisCETEC-MG Fundao Centro Tecnolgico de Minas GeraisDEMEC Departamento de Engenharia MecnicaEEUFMG Escola de Engenharia da UFMGEGT -Exhaust Gas Temperature - Temperatura de ExaustoFEM
Finite Elements Method Mtodo dos Elementos FinitosFORTRAN Formula Translation Linguagem Cientfica de ProgramaoGECAT - Graphical Engine Cycle Analysis Tool
- Ferramenta Grfica de Anlise de Ciclo de MotoresGPL General Public License - Licena Pblica de Uso GeralIBM International Business Machines - Companhia Norte-americana de ComputadoresICE Internal Combustion Engine Motores de Combusto Interna,
em geral referente a Motores de Ignio por CentelhaICO -Internal Compression Combustion Engine - Motores de Ignio por CompressoISO International Standard Organization Organizao de Padronizao InternacionalJANNAF -Joint Army Navy NASA Air Force Propulsion Organization
- Organizao Conjunta de Propulso do Exrcito, Marinha, NASA e AeronuticaNASA -National Aeronautics and Space Administration- Administrao Nacional de Aeronutica e Espao
NBR Norma BrasileiraNEPP NASA Engine Performance Program
Programa da NASA para Desempenho de MotoresNOx Todos os xidos de NitrognioODE Ordinary Differential Equation - Equao Diferencial OrdinriaOOA Object Oriented Analysis Anlise Orientada a ObjetosPC Personal Computer- Computador pessoalPCI Poder Calorfico Inferior
PID Controlador Proporcional, Integral e DiferencialPME - Presso mdia efetiva - equivale a BMEP -Brake Mean Effective PressurePMI - Ponto morto inferiorPMS - Ponto morto superiorPUC .- Pontifcia Universidade CatlicaRPM - Rotaes Por MinutoSAE Society of Automotive Engineers Sociedade Internacional da MobilidadeSFC Specific Fuel Consumption Consumo Especfico de CombustvelTDC Top Dead Center mesmo que PMSUFMG Universidade Federal de Minas GeraisUML - Unified Modeling Language - Linguagem Unificada de ModelagemUR Umidade RelativaWOT Wide Open Throttle Plena Carga
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SIMBOLOGIA (cont.)
a acelerao ou velocidade do som
A rea
Ab constante da Lei de Wiebe
Ap rea de passagem
b constantes
B constantes da velocidade de queima laminar
C e c constantes
cd coeficiente de descarga
Cf consumo de combustvel
Ci concentrao mssica = frao mssica da espcie i
cp calor especfico a presso constantecv calor especfico a volume constante
D dimetro do cilindro
Da nmero de Damkler
e eficincia politrpica
E elevao do came
ex disponibilidade especfica
F fora
f razo de mistura ou fator de atrito ou fator de turbulncia
g acelerao da gravidade
H altitude ou entalpia
h entalpia especficahq coeficiente de pelcula
M irreversibilidade
I momento de inrcia
Keq constante de equilbrio
ki constantes do polinmio de Golverk
L altura do cilindro
Lp distncia entre centros da biela
M massa ou nmero de Mach
M peso molecular mdio
mb constante da Lei de Wiebem vazo mssica
N rotao
Nu nmero de Nusselt
P presso
P presso mdia
Pr nmero de Prandtl
Q calor transferido
R constante do gs ou raio do virabrequim
r razo volumtrica
Re nmero de Reynolds
s entropia especficaS posio do pisto
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SIMBOLOGIA (cont.)
T temperatura
t tempo
U energia interna
u energia interna especfica
V velocidade do gs
V velocidade de chama laminar
e volume
W trabalho
x varivel independente
Xb frao mssica do gs queimado
Xp distncia projetada pela borboleta da vlvula de entrada de arY vetor de variveis dependentes (uma coluna) ou frao molar
Smbolos Gregos
condutividade trmica
mix razo de mistura ar-combustvel, em massa
e expoentes da velocidade de queima laminar
N razo de calores especficos
c espessura da frente de chama+ variao
O eficincia
M ngulo da rvore de manivelas
S razo de equivalentes ar-combustvel (fator lambda)
3 razo de equivalentes combustvel-ar
E viscosidade
coeficiente estequiomtrico
_ frao de variao de presso numa etapa do ciclo
W razo de presses
J densidade
[ torque ou razo de temperaturas
ngulo de inclinao do eixo da biela
ngulo de abertura da vlvula borboleta
N velocidade de rotao
Sobrescritos
0 condio padro
i ideal
stag estagnao
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SIMBOLOGIA (cont.)
Sub-ndices
0 atmosfera
ac ar-combustvel
ad admisso
ar ar atmosfrico
b combusto
b gs queimado
ba biela
bb blow-by
bo blow-outc compresso
ca combustvel-ar
ch chama
cil cilindro
cm combustvel-mistura
comb combusto
d deslocado
dc relativo ao volume morto do cilindro
e expanso
ef efetivo
eob fim de queima (end of burnning)ex exausto
f combustvel ou gs com composio congelada (frozen)
g gas
h haste
i ndice geral ou ndice de espcies qumicas
ig ignio
inj injeo de combustvel
isoS isentrpico
j jusante
P perda
m mecnica
m montante
max mximo
osc movimento oscilatrio
p pisto
R relativo a 1000 K
sat condio de saturao
t trmica ou turbulncia
ub gs no queimado
v volumtrica
w paredeE atrito
funo da razo de mistura
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1. INTRODUO
Desde o sculo dezenove os motores de combusto interna (ICE) tiveram seu
desenvolvimento ligado a modelos termodinmicos que descrevem o seu funcionamento. Estes
modelos foram importantes na construo do primeiro motor ICE. No entanto, at a dcada de 60
do sculo vinte, o empirismo dominou o desenvolvimento tecnolgico destes motores. A partir
desta dcada, a disponibilidade de meios computacionais mais baratos e poderosos vem tornando
a simulao uma ferramenta importante na pesquisa de novos motores, permitindo uma
significativa melhora de desempenho, reduo de emisso de poluentes e viabilizando sistemas
de controle mais eficientes. Hoje em dia no possvel conceber um novo desenvolvimento sem
o uso de ferramentas de modelagem. A capacidade de previso dos atuais modelos suficiente
para eliminar configuraes ineficientes reduzindo assim os custos da fase de experimentaoem prottipos. Contudo, ainda no existe um procedimento de modelagem generalizado que
permita a evoluo de modelos mais simples para modelos complexos sem a necessidade de
reescrita total dos cdigos computacionais. O objetivo do presente trabalho lanar as bases de
tal procedimento usando a Anlise Orientada a Objetos (OOA) nos moldes descritos por
Furlan, 1998.
O Departamento de Engenharia Mecnica da UFMG, em especial, o Laboratrio de Motores,
em funo de necessidades da indstria automobilstica local e da necessidade de uma nova
gerao de motores aeronuticos para aviao geral, estabeleceu como um objetivo bsico
desenvolver um programa de simulao de motores de combusto interna a pisto. A filosofia a
ser seguida visa obter programas computacionais semelhantes aos disponveis para Anlise deCiclo de Motores a Jato desenvolvidos nos ltimos dez anos em projetos da Agncia Espacial
Americana (GECAT, 1999).
Neste trabalho o estudo de motores de combusto interna entendido como a proposio de
um ou mais modelos matemticos, que podem ser analticos, semi-empricos ou empricos, que
permitam descrever a operao de um motor. Uma vez que este modelo seja calibrado, a partir
de alguns dados experimentais, ser possvel prever os parmetros de desempenho em condies
no ensaiadas e tambm avaliar o comportamento de variveis que so de difcil medida
experimental.
O presente documento organizado em captulos. No Captulo 2 apresentado um panorama
da modelagem dos motores de combusto interna at o presente ano, com base em documentosde livre acesso. A relevncia do presente trabalho e seus objetivos imediatos, considerando o
estado da arte atual, so mostrados no Captulo 3. A modelagem proposta apresentada no
Captulo 4, juntamente com a estratgia de implementao respeitando as tcnicas de orientao
a objetos. No Captulo 5 os resultados obtidos com o modelo so comparados com medidas
experimentais, indicando-se as limitaes do modelo proposto. Os Captulos 6 e 7 trazem as
concluses gerais e sugestes para a continuao do trabalho.
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2. ESTADO DA ARTE (REVISO BIBLIOGRFICA)
As anlises de ciclo de motores a pisto comearam com Beau de Rochas, em 1862,
concretizando-se tecnologicamente em 1876, com a construo do primeiro motor por Otto. Em
1892, Diesel prope e executa um motor com ignio a compresso (Obert, 1971). Desde ento,
os modelos de simulao vem acompanhando e realimentando a evoluo tecnolgica destes
motores. No primeiro momento, os modelos so algbricos, baseados na teoria termodinmica
clssica, usando de consideraes simplificadoras que permitiram chegar a solues fechadas. O
objetivo, perfeitamente cumprido, destes modelos permitir um entendimento do princpio de
funcionamento dos motores e avaliar qual a mxima eficincia trmica que estes podem atingir.
A metodologia pode ser chamada deAnlise de Ciclo Ideal de motores a pisto. As definies de
eficincia e de outros termos significativos para a modelagem so derivadas desta anlise epodem ser encontradas em todos os livros da rea, em especial, mencionam-se os trabalhos, em
ordem cronolgica, de Obert, 1944 (1 ed.), Taylor, 1968 (1 ed.), Stone, 1985 (1 ed.), Ferguson,
1986 e Heywood, 1988.
Obert, 1971, apresenta um extenso estudo sobre os fenmenos envolvidos nos motores de
combusto interna. A clareza das explicaes supera a ausncia de modelos matemticos mais
atuais. Tambm apresentada uma anlise da derivada da curva de presso no cilindro versus
ngulo da rvore de manivelas. Poucos trabalhos seguintes abordaram esta metodologia, que
permite avaliar o progresso da combusto, revelando informaes sobre os fenmenos de
ignio, queima e detonao (batimento) no cilindro. A curva de derivada de presso pode ser
relacionada com a velocidade de queima do combustvel usando tcnicas semelhantes sdescritas em Carvalho e Barros, 1990 e Bueno, Milanez e Velasquez, 2002.
A principal caracterstica do trabalho de Taylor, 1988, apresentar uma anlise detalhada das
modificaes do diagrama indicador ideal (presso no cilindro versus volume do cilindro)
devidas a cada um dos processos no ideais envolvidos, tais como, perdas de calor, aspirao,
exausto, vlvulas, atrito, etc. A anlise do uso de sobrecarregadores sobre o desempenho do
motor bem detalhada e traz informaes de seleo de sistemas relevantes para a
sobrealimentao de motores para uso aeronutico. Tambm so apresentados grficos que
permitem corrigir as propriedades termodinmicas dos gases de combusto para efetuar clculos
mais precisos na anlise de ciclo ideal. No volume 2, Taylor, apresenta o atual modelo dinmico
das partes mecnicas do motor para efeito de avaliao da vibrao e balanceamento de um
motor a pisto. O balano de foras ao longo do cilindro, biela, da rvore de manivelas e bloco
do motor postulado e leva em conta a interferncia do movimento alternativo do cilindro sobre
o movimento rotativo da rvore de manivelas. O enfoque do modelo dinmico de Taylor, 1988,
voltado para obter relaes fechadas para anlise das vibraes no campo das freqncias.
Contudo, o modelo bsico envolve as equaes diferenciais necessrias a uma simulao
dinmica de funcionamento de um motor em regime estacionrio ou transiente.
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Uma classificao de modelos apresentada por Stone, 1995, dividindo estes em trs grupos,
descritos abaixo. Foi acrescentado um quarto grupo, referente a modelos algbricos para tornar a
classificao mais abrangente. Todos os modelos visam fazer previses de eficincia,
desempenho e emisses do motor a pisto.
Algbrico - utiliza um sistema de equaes algbricas derivadas de relaes da
termodinmica clssica, associadas a eficincias que corrigem os resultados do ciclo ideal
para um ciclo real. Os sistemas de controle em tempo real utilizam este tipo de modelo
devido ao seu baixo custo computacional e a facilidade de se introduzir correes empricas
para um motor especfico.
Zerodimensional ou Fenomenolgico - utiliza um sistema de equaes diferenciais
ordinrias, associadas a uma srie de modelos empricos para simular o motor. As
caractersticas internas obtidas do escoamento representam valores mdios. Atualmente, onico mtodo que permite modelar completamente um motor a pisto multicilindro. Um
mtodo numrico tpico de soluo do sistema de equaes resultantes o Runge-Kutta.
Quase-dimensional - utiliza um sistema de equaes diferenciais parciais, associadas tambm
a uma srie de modelos semi-empricos, tais como, de turbulncia, de chama turbulenta, etc.
Normalmente, envolve como variveis independentes o tempo, ou ngulo da rvore de
manivelas, e uma dimenso axial. O mtodo mais usado aqui para soluo do sistema de
equaes o Mtodo das Caractersticas.
Multidimensional - semelhante aos modelos quase-dimensionais, mas envolve mais de uma
dimenso fsica (2D e 3D) alm da dimenso temporal. Estas simulaes exigem uma
descrio detalhada da configurao fsica da parte do motor estudada. Os mtodos
numricos de soluo mais usados so Volumes Finitos, Diferenas Finitas e ElementosFinitos (mtodos discretizados).
Neste trabalho ser usado o termo Anlise de Ciclo Real para designar as simulaes usando
modelos Algbrico, Zero ou Quase-dimensional, para uniformizar a nomenclatura com trabalhos
da rea de motores a jato (Mattingly, Heiser e Daley, 1987, e Oates, 1988) e softwares de anlise
de motores aeronuticos (GECAT, 1999).
Tambm, so apresentados por Stone, 1995, alguns modelos empricos Zerodimensionais e
outros Quase-dimensionais para combusto, perda de calor e ignio. Destes, os que merecem
maior destaque, so os modelos empricos para previso do atraso de ignio da mistura
ar/combustvel para o ciclo Otto e Diesel. Outro aspecto relevante o formato mais moderno dosmapas de desempenho dos motores (grfico Potncia, ou Torque ou PME, e Consumo especficoversus Velocidade de Rotao), estabelecendo assim padres de apresentao dos dados.
Ferguson, 1986, apresenta a modelagem dos motores em um formato mais adequado a
computao. So mostrados programas em FORTRAN simulando combusto, perdas de calor,
enchimento e esvaziamento do cilindro, composio e propriedades termodinmicas dos gases de
combusto e injeo de combustvel. O padro de mapas de desempenho dos motores idntico
ao usado por Stone, 1995.
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Quanto s propriedades termodinmicas dos gases de combusto, o mtodo de clculo usa
procedimentos desenvolvidos por Gordon e McBride, 1971, considerando um modelo de
equilbrio qumico e dados das tabelas JANNAF1. Os resultados dos clculos de Ferguson, 1986,
so apresentados sob a forma de grficos de propriedades termodinmicas dos gases resultantes
da queima da mistura ar/combustvel, semelhantes aos apresentados por Taylor, 1988. As
propriedades de transporte de mistura de gases de combusto, necessrias aos modelos de
transferncia de calor, so calculadas usando tcnicas semelhantes s propostas por McBride,
Gordon e Reno, 1993.
O trabalho de Heywood, 1988, pode ser considerado a mais recente compilao das pesquisas
feitas em motores a pisto at a presente data. O captulo de modelagem descreve os trs tipos de
modelo citados por Stone, 1995, inclusive com mais detalhes sobre modelos Multidimensionais
envolvendo turbulncia, atomizao de combustvel e combusto.
Benson, 1982, apresenta modelos que tratam dos fenmenos transientes nos coletores dos
motores a pisto. Os modelos apresentados so baseados na soluo analtica ou numrica da
equao da onda, usando condies de contorno adequadas aos motores de combusto interna. O
mtodo das caractersticas o usado para obter as das equaes descritivas. A soluo numrica
baseada em mtodos grficos ou integradores tipo Euler de primeira ordem. Estes mtodos de
soluo eram mais comuns at a dcada de 70, do sculo vinte, posteriormente Zucrow e
Hoffman, 1976, introduziram mtodos mais estruturados e de maior ordem de preciso para a
resoluo das equaes caractersticas.
Horlock e Winterborne, 1986, editaram uma coletnea de artigos sobre vrios aspectos da
modelagem de motores. Entre estes se pode ressaltar o captulo escrito por Baruah, que trata em
detalhes da modelagem da cmara de combusto em duas zonas (gs queimado e gs noqueimado). O procedimento de inicializao da zona dos gases queimados essencial para os
modelos de duas zonas. Em outros captulos, tambm so abordados aspectos de transferncia de
calor no cilindro e os fenmenos transientes nos coletores dos motores.
A modelagem computacional de motores quatro tempos e dois tempos foi objeto do recente
livro de Blair, 1999. O extenso trabalho pode ser classificado como um modelo Quase-
dimensional, enfocando os fenmenos transientes ligados ao escoamento de enchimento e
esvaziamento do cilindro do motor a pisto. O mtodo numrico mais aplicado ao longo do
trabalho o mtodo das caractersticas no domnio do tempo e com uma dimenso axial (1D),
associado a solues fechadas de casos transientes tpicos de dinmicas de fluidos compressveis.
Uma parte do trabalho dedicada ao estudo de gerao de rudo nos motores e tcnicas para suareduo.
Os trabalhos citados foram publicados na forma de livros. Destes os livros de Obert, 1944
(1 ed.), Taylor, 1968 (1 ed.), e Heywood, 1988 constituem a melhor literatura para explicar os
fenmenos que ocorrem durante o funcionamento dos motores de combusto interna.
A seguir sero referenciados trabalhos sobre temas mais especficos ligados a modelagem de
motores. Tambm sero analisados aspectos de ensaio de motores, pois os resultados destes
servem para validar os modelos tericos.
1 Tabelas de dados termodinmicos de gases editadas pela JANNAF (Joint Army Navy NASA Air Force Propulsion
Organization) de 1963-1999
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Uma reviso detalhada de modelos de simulao apresentada por Pucher, 1986. Os modelosso divididos conforme o subsistema do motor a que se referem, do seguinte modo: I - processosinternos ao cilindro; II - fenmenos de escoamento na admisso e na exausto (descarga); III -balano de massa e energia no turbocompressor; IV - Acionamento mecnico sob carga. Osmodelos aplicveis a I incluem: as caractersticas geomtricas, o escoamento no cilindro usandoas equaes de conservao da massa e da energia mais a equao de estado dos gases, atransferncia de calor usando uma equao emprica devida a Woschni, 1967, e a velocidade dacombusto usando a lei de Wiebe, 1967. A relao proposta para a transferncia de calor defcil implementao por no envolver avaliao direta das propriedades de transporte dos gasesde combusto. Os modelos aplicveis a II incluem o chamado modelo de enchimento eesvaziamento baseado nas equaes de conservao da massa e energia em funo do tempo e dovolume, e o mtodo das caractersticas aplicado ao escoamento transiente nos condutos de
admisso e exausto. O modelo de enchimento e esvaziamento inclui os balanos noturbocompressor usando eficincias retiradas dos mapas do compressor e turbina. Tambm soconsiderados os efeitos de uma configurao multicilindro. importante mencionar que adiferena entre os resultados do modelo de enchimento e esvaziamento e do mtodo dascaractersticas pequena a baixas velocidades de rotao, enquanto que a altas velocidades ospicos de presso so amortecidos no primeiro modelo. O modelo aplicvel a III inclui omovimento rotativo considerando as inrcias do motor associadas s do dispositivo aplicador dacarga. Os resultados permitem boas avaliaes dinmicas do comportamento do motor.
Chandra, 1991, apresenta uma anlise, com metodologias bsicas, para validar modelosmatemticos de motores a pisto. As regras mais importantes desta metodologia so: a) definirum experimento base; b) executar um estudo paramtrico para testes qualitativos; c) realizar
testes em separado com cada submodelo; d) planejar os experimentos, variando um parmetro decada vez; visando um nmero reduzido de ensaios e estabelecendo procedimentos para garantir apreciso dos dados; e) manter as constantes do modelo o mais fixas possveis durante avalidao; f) especificar as limitaes para as previses do modelo.
O trabalho de Hendricks e Soreson, 1990, enfoca a obteno de um modelo Algbricoaplicvel a controle de motores a pisto. Os autores informam que o erro obtido igual ao errotpico dos dinammetros (2 %) e que o modelo deve lidar com uma escala de tempo superior aum ciclo e inferior a 1000 ciclos (tempo de aquecimento tpico de um motor) para que produza
valores mdios significativos. Devido abordagem da rea de controle usada no
desenvolvimento do trabalho, a maioria dos submodelos simplificada ou linearizada
requerendo uma srie de constantes determinadas empiricamente. Como o objetivo destesautores substituir os atuais modelos de controle baseados em tabelas de dados usados nos
sistemas de injeo de combustvel, no h problema que o mesmo seja vlido somente para um
dado motor. A simulao transiente tratada, pelos autores, como uma perturbao do regime
permanente (rotao constante), sendo definido que o tempo para atingir o equilbrio nas novas
condies de 10 a 1000 ciclos. Outro ponto importante a apresentao de quatro tipos de
ensaios dinmicos aplicveis aos motores: a) variao em degrau da posio da borboleta de
acelerao para rotao constante; b) variao em degrau da posio da borboleta de acelerao
para carga (torque) constante; c) subida de rotao com carga crescente; d) variao em degrau
de carga para posio da borboleta de acelerao constante. Os sinais em degraus usados,
possuem um tempo de subida e descida de 0,25 s com um patamar de 0,5 s.
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Wooddard, Johnson e Lott Jr., 1989, trazem um excelente trabalho de otimizao deturbocompressores utilizando um sofisticado programa de simulao Zerodimensional. Oobjetivo minimizar o consumo de combustvel, considerando restries de torque, detonao,emisses e dos limites de validade dos modelos usados. O modelo Quase-permanente paraavaliar variaes na velocidade de rotao do motor. Outras caractersticas do modelo so:clculo de torque e consumo especfico para motores multicilindros, influncia da misturaar/combustvel, escoamento compressvel, modelo global para o compressor e turbina usandomapas de componentes, temperatura de chama calculada considerando equilbrio qumico eprodutos de combusto completa do combustvel, velocidade de queima emprica, mistura degases com propriedades termodinmicas calculadas das tabelas JANNAF e transferncia de calorpelo modelo de Woschni, 1967. As informaes mais importantes deste trabalho so os critriosaplicados aos parmetros de otimizao, citadas a seguir. Todas as variveis do modelo no
podem assumir valores negativos. A temperatura da parede do cilindro limitada em 800 K, emfuno do material dos cilindros e pistes. A razo ar/combustvel mnima de 10:3, limite deflamabilidade da mistura. As elevaes mximas das vlvulas dos cilindros so limitadas pelageometria dos motores. O teor de CO na exausto limitado a 3,4 g/ml. A temperatura deexausto deve estar entre 600 K e 1300 K, para eliminar emisso de hidrocarbonetos noqueimados. A temperatura dos gases na cmara de combusto deve ser limitada a 3000 K parareduzir a formao de NOx. O torque deve ser superior ao torque mnimo para o acionamento domotor (ponto morto). A temperatura dos gases no queimados na cmara de combusto no deveultrapassar 1000 K, para evitar a detonao (batimento), pois a temperatura de autoignio tpicapara misturas ar/combustvel 102022 K.
Esta a primeira implementao de modelos da teoria de detonao de Ricardo, 1922,
descrita por Taylor, 1988. Ela exige o clculo da combusto por um modelo de duas zonas, umapara os gases no queimados a e outra para os gases queimados, considerando a pressoconstante e temperaturas diferenciadas entre as duas zonas. Todos estes limites so de grandeimportncia em qualquer modelo de motores a pisto, pois constituem parmetros prticos paralimitao de desempenho dos motores, indicando as fronteiras mximas e mnimas dos mapascalculados. Os autores realizaram simulaes para um motor 6 cilindros em V com um bomajuste dos resultados com os dados experimentais. Parte de otimizao foi testada para umacondio de funcionamento do motor, contudo, os parmetros livres para variao envolviamalteraes dimensionais da cmara de combusto e de outros componentes, o que torna osresultados de difcil verificao experimental. O processo de otimizao mais adequado para odesenvolvimento de novos motores e deveria ser calibrado com o uso de um motor monocilindrode fcil modificao em laboratrio. Os autores reportam que o tempo de simulao foi de20 a 60 s em um computador IBM PC 286. Para a otimizao o tempo de computao atingiu25 horas, e apresentava problemas de convergncia comuns aos mtodos de otimizao. Ocdigo do programa foi escrito em FORTRAN e possui 750 linhas.
importante, neste ponto, mencionar a teoria de autoignio de Ricardo, 1922, que propeque o fenmeno de detonao, ou batimento, resultado da autoignio do gs ainda noqueimado, chamado gs da extremidade, devida a sua compresso causada pela gerao de gasesqueimados aps a ignio. Se a temperatura da frao no-queimada atingir o valor deautoignio, ento esta inicia uma combusto a volume constante que gera ondas de presso nointerior do cilindro (ver figura 2.1-A).
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Pelo modelo de interao de ondas de presso e frentes de chama proposto por Taylor-
Markstein (Strehlow, 1985) se inicia uma transio de queima normal para um processo de
detonao envolvendo ondas de choques, que o fenmeno de batimento dos motores a pisto
(ver figura 2.1-C). No trabalho de Taylor, 1988, e de Strehlow, 1985, so apresentadas dados de
fotografias de frente de chamas que comprovam esta teoria. Tambm destas fotos pode-se
afirmar que a frente de chama de propagao cilndrica com origem no ponto de ignio da
mistura (para motores de ignio centelha) (ver figura 2.1B). Os sobrealimentadores
favorecem as condies de presso e temperatura causadoras da detonao.
(A)
(C)
(B)
FIGURA 2.1 (A) Detonao em Motores ICE (Obert, 1971),
(B) Propagao da Frente de Chama (Taylor, 1988) em motores ICEe (C) Instabilidade Taylor-Markstein (Strehlow, 1985)
Bozza et al., 1990, apresentam um trabalho de casamento entre motores ICO e
turbocompressores em regimes permanente (rotao constante) e transiente. O modelo utilizado
na anlise Zerodimensional com as seguintes caractersticas: usa duas equaes de
conservao, massa e energia, transferncia de calor pelo modelo de Annand, turbocompressor
modelado por equaes de balano com dados de mapas de componentes, balano de potncia no
eixo do turbocompressor para avaliar transientes de rotao, modelo de enchimento e
esvaziamento utilizando coeficientes de descarga empricos (Taylor, 1988) e taxa de queima
emprica para ciclo Diesel. O modelo foi integrado usando o mtodo Preditor-Corretor com umpasso de 1 grau (ngulo da manivela).
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O experimento usado para verificao do modelo um motor de 1366 cm3
de cilindrada,
4 cilindros, ciclo Diesel, e dois tipos de turbocompressores. Os parmetros da lei de queima
foram ajustados para obter um melhor resultado no diagrama de presso. As curvas de
desempenho do compressor superestimam sua eficincia, mas so boas qualitativamente. Para a
turbina, para o diagrama de presso e para a vazo de ar aspirada os resultados apresentam um
bom ajuste com os resultados experimentais. O comportamento dinmico no foi validado com
dados medidos, mas uma anlise foi apresentada para uma acelerao do motor de 2000 a
4500 rpm, com dois intervalos de subida, 0,5 s e 2 s. O motor levou 100 ciclos para estabilizar
seu funcionamento, sendo que a acelerao de 0,5 s provocou oscilaes na potncia do motor.
Dos grficos apresentados, as variaes percebidas esto relacionadas com os fatos da mistura
ar/combustvel ficar mais rica e a eficincia volumtrica cair no incio do perodo de acelerao.
A mais completa simulao, na literatura consultada, foi feita por Mohanan e Babu, 1991. O
modelo quase-dimensional usa o mtodo das caractersticas e foi aplicado a um motormulticilindro com duas configuraes de dutos de admisso e exausto, incluindo um
turbocompressor. O modelo de combusto de duas zonas, com frente de chama cilndrica e
velocidade de chama turbulenta. As emisses de NOx so estimadas por um modelo cintico
proposto por Zeldovich (ver Strehlow, 1985). O turbocompressor tratado atravs dos mapas de
componentes, como no trabalho de Pucher, 1986, mas inclui a vlvula de alvio que controla a
presso mxima na entrada do cilindro. Os resultados de torque, potncia e consumo especfico
no diferem mais que 2 % dos dados experimentais de motores multicilindros. O modelo de
combusto de duas zonas superestima a presso mxima no interior do cilindro. Os resultados
deste trabalho mostram que o turbocompressor permitiu um aumento de 75 % na potncia, com
um aumento de 28 % no consumo especfico com o uso de uma vlvula de alvio que evita os
problemas de detonao da mistura. Na implementao, o tempo de simulao varia de2 a 8 horas em computadores tipo IBM PC AT.
Rakapoulos, 1993, faz uma anlise exergtica de motores a pisto. O modelo de simulao
Zerodimensional e envolve: mecanismo cintico de Zeldovitch para o NOx, transferncia de
calor segundo o modelo de Annand, 1963, propriedades termodinmicas calculadas pelas tabelas
JANNAF, modelo de combusto de duas zonas, chama cilndrica com velocidade de propagao
representada por uma equao de segundo grau, equilbrio qumico das principais espcies
presentes nos gases de combusto, clculo de disponibilidade termodinmica e eficincias
exergticas. A simulao comparada com resultados experimentais obtidos de um motor
monocilindro queimando octano (C8H18). O diagrama presso versus ngulo do virabrequim
mostrou que o ajuste do modelo foi muito bom. O autor menciona que o modelo de duas zonasde combusto resultou em um melhor ajuste que o modelo de uma nica zona. A disponibilidade
calculada ao longo do ciclo do motor, ou seja, para cada ngulo da rvore de manivelas,
permitindo verificar quais as etapas do processo so passveis de otimizao.
Crawford, Celik e Lyons, 1993, apresentam um modelo Zerodimensional enfocando
principalmente a combusto e a formao de poluentes. O modelo cintico envolve 84 reaes
qumicas para o hidrocarboneto e 37 reaes para o N2. O modelo de chama segue a lei de Wiebe
e uma soluo fechada para chama laminar. A transferncia de calor tratada pelas relaes
devidas a Heywood, 1988. A base do trabalho dos autores o programa descrito no relatrio de
McBride e Zeleznik, NASA-RP-1094.
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Os resultados da simulao mostraram um bom ajuste a dados experimentais, usando o
diagrama de presso. A comparao do modelo cintico com o modelo de equilbrio qumico no
resultou em diferenas significativas. A vantagem do modelo cintico permitir prever as
emisses, contudo, no trabalho os resultados no foram validados frente a dados experimentais.
Kanamaru, Kajimura, Sano e Shimamoto, 1994, apresentam um trabalho de otimizao de
turbocompressores para motores a pisto. O modelo resultado final de uma srie de trabalhos
dos autores sobre simulao de turbocompressores. O mtodo de otimizao utilizado o da
derivada mxima com vnculos impostos (restries). O modelo do motor e do turbo so
Zerodimensionais. O motor tratado de forma paramtrica atravs da eficincia volumtrica e do
volume deslocado em funo da rotao. O combustvel tratado como fonte de energia atravs
do poder calorfico inferior. A turbina e o compressor so tratados como escoamento atravs de
orifcios introduzindo o balano de energia devido rotao do rotor. Um vnculo entre a turbina
e o compressor estabelecido pela mesma velocidade de rotao e pelo balano de potncia norotor. Pela primeira vez, um modelo de turbocompressor permite calcular teoricamente os mapas
de desempenho do compressor e da turbina com um timo ajuste com dados experimentais.
Tambm so simulados: o trocador de calor (intercooler) usado nos sistemas de
turbocompressores para resfriar o ar na entrada dos cilindros. O modelo tambm paramtrico
baseado nas eficincias trmicas do trocador de calor. Um modelo de vlvula de alvio (bypass)
implementado considerando que aps uma dada presso, a velocidade na turbina cai para zero.
Os dutos de admisso e exausto so considerados como causadores de perda de carga e perda de
calor atravs de modelos paramtricos. Os resultados foram obtidos atravs da otimizao em
condies estticas (rotao constante) e em condies dinmicas. Os resultados so semelhantes
indicando que a simulao esttica deve ser empregada no processo de otimizao, pois o tempo
de computao 100 vezes inferior ao tempo gasto pela simulao dinmica. Um exemplo deotimizao apresentado para um motor de 6 cilindros, visando aumentar potncia alterando as
caractersticas construtivas do turbocompressor.
Lira, 1999, apresenta um modelo Zerodimensional para um motor Diesel. As caractersticas
do modelo so: modelo de queima pela Lei de Wiebe modificada para ciclo Diesel, usa duas
equaes, a da conservao de massa e da energia, a transferncia de calor tratada conforme o
modelo de Eichelberg, o enchimento e esvaziamento do cilindro isentrpico, usa relaes
empricas para estimar a razo dos calores especficos dos gases de combusto. O ajuste entre o
diagrama de presso calculado e o medido muito bom.
Martin, Fygueroa e Araque, 1999, apresentam dois modelos para clculo de emisses de
NOx. A mistura ar/hidrocarboneto (CHON) tratada por um modelo de equilbrio qumico entre
18 espcies qumicas. No segundo, o NOx tratado por um modelo cintico sugerido por
Zeldovich. Os resultados comprovam que os dois modelos no so semelhantes quanto
previso de concentrao de NOx no final do ciclo do motor. O modelo cintico apresenta
melhores resultados.
Nigro, Ambroggi e Defranco, 1999, tambm mostram um modelo Zerodimensional cujas
caractersticas so: modelo de equilbrio qumico, combusto em duas zonas, chama cilndrica,
taxa de queima pela Lei de Wiebe, transferncia de calor pelo modelo de Woschni, propriedades
termodinmicas dos gases pelas tabelas JANNAF. Os resultados apresentados so apenas
qualitativos o que impede a avaliao da qualidade do modelo. Uma observao importante
que no modelo de duas zonas de combusto, a presso comum s duas zonas, mas atemperatura e densidade so diferentes.
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No Brasil foram realizados bons trabalhos na rea de modelagem de motores a pisto. Gallo,
1990 e 1992, apresenta uma anlise exergtica de motores a pisto usando como combustvel a
gasolina e o lcool. O enfoque do trabalho no clculo da exergia (disponibilidade),
irreversibilidades e eficincia exergtica durante o ciclo do motor. Para isto foi formulado um
modelo Zerodimensional de duas equaes, incorporando o clculo destas grandezas
termodinmicas e aplicado a um motor, cujos dados so bem especificados no trabalho. A
concluso que os dados de irreversibilidade permitem um maior entendimento dos problemas
de funcionamento dos motores do que usando mtodos baseados somente na Primeira Lei da
Termodinmica. Os resultados de clculo no foram convertidos em parmetros convencionais
de desempenho de motores e nem foram comparados com dados experimentais.
Outro trabalho de simulao foi apresentado por Pereira, 1995, com um modelo
Zerodimensional de duas equaes diferenciais (conservao da massa e da energia), envolvendo
transferncia de calor, escoamento pelas vlvulas de admisso e exausto e variao nacomposio qumica dos gases de combusto pelo modelo de equilbrio qumico. Os resultados
foram apresentados como variao paramtrica sobre as curvas de Potncia, Torque, Rendimento
Trmico e Eficincia Volumtrica versus Velocidade de Rotao do motor (regime estacionrio).
Contudo, a falta de comparao com dados experimentais dificulta a avaliao do modelo
apresentado.
Vianna e Oliveira, 1995, elaboraram um modelo Quase-dimensional de simulao. O modelo
considera duas zonas, gases queimados e gases no queimados, sendo a frao queimada dada
por uma lei emprica senoidal. A transferncia de calor tratada pelas relaes empricas de
Annand e Woschni. No feita meno ao modelo dos coletores, mas pelos resultados os
mesmos devem ter sido tratados como reservatrios presso constante. Um aspecto relevantedo trabalho apresentar dados experimentais para validao do modelo, envolvendo os
parmetros de desempenho (potncia) e medidas de presso no interior do cilindro. Tambm
apresentada uma anlise paramtrica da influncia das constantes da lei de queima e do modelo
de transferncia de calor sobre a curva de presso do ciclo do motor.
Complementando o trabalho acima citado, Vianna, Oliveira e Oliveira, 1996, apresentam um
modelo Quase-dimensional para coletores de admisso e descarga comparado a um modelo de
coletor ideal e a medidas experimentais. O mtodo de soluo para o escoamento unidimensional
nos coletores foi o Mtodo das Caractersticas, conforme proposto por Benson, 1988. O modelo
de combusto usado foi o de uma zona. Novamente, as medidas experimentais de presso no
coletor diferenciam este trabalho de outros, tornando a anlise de resultados mais significativa.
Uma observao importante feita pelos autores que os valores potncia do motor, previstos
pelo modelo de coletor ideal e coletor unidimensional, so prximos aos medidos. A diferena
maior ocorre na previso do rendimento volumtrico, sendo o modelo unidimensional mais
preciso.
O fenmeno da aspirao em motores a pisto tratado no estudo experimental descrito por
Hanriot, Valle e Medeiros, 1999. O principal aspecto permitir conhecer as freqncias que
dominam a variao de presso nestes dutos. Comparaes entre as medidas experimentais e os
resultados de um modelo Quase-dimensional do coletor de admisso so apresentadas no
trabalho posterior de Hanriot, 2000. Os efeitos de ressonadores no coletor tambm so
discutidos.
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Aguiar e Sodr, 2001 apresentam uma metodologia para incluir o efeito do formato
tridimensional da cmara de combusto e da posio da vela em um modelo de duas zonas. O
mtodo consiste em obter os dados de geometria da frente de chama por desenhos
tridimensionais em CAD para vrias das posies da chama e do pisto. Os dados obtidos so
transformados em equaes polinomiais que vo fornecer ao programa de simulao a geometria
instantnea das duas zonas dentro do cilindro durante a combusto. O modelo de combusto de
duas zonas com a velocidade de queima ajustada por um fator de turbulncia. Os resultados
demonstraram a equivalncia do modelo numrico-grfico da propagao da frente de chama
com o modelo analtico. O diagrama de presso experimental usado para validar o modelo de
duas zonas implementado. Este mtodo de obter os dados sobre a cmara de combusto e sua
interao com a frente de combusto pode ser considerado uma atualizao do procedimento
descrito por Obert, 1971, onde: um molde de cera era feito a partir da cmara de combusto do
motor; a seguir, este era usinado de forma a retirar uma seo hemisfrica a partir do ponto deignio; Os dados de volume e rea da frente de chama eram medidos; o procedimento era
repetido para vrios raios de chama. Assim, o mtodo de Aguiar e Sodr, 2001, pode ser
considerado uma verso virtual e conseqentemente mais econmica do mtodo de Obert, 1971.
O acionamento das vlvulas do cilindro apresentado no trabalho de Porto e Bezerra, 1999,
enfocando o projeto da geometria do came de forma a se obter a curva desejada de abertura da
vlvula (elevao). O trabalho de Rego e Martins, 2001 aprofunda o modelo de cames e mostra
como este pode ser associado a um modelo de motor de combusto interna. O livro de Chen,
1982, apresenta uma profunda anlise de mecanismos e modelos aplicveis a cames mecnicos.
Em termos de modelos Multidimensionais, foi apresentada uma anlise detalhada sobre o
escoamento turbulento bidimensional atravs da vlvula do motor no trabalho de Deschamps,1993 e 1995. O enfoque principal foi a determinao dos perfis de velocidade ao redor da
vlvula e no interior do cilindro usando um modelo algbrico de segunda ordem para descrever a
turbulncia. O volume do cilindro foi mantido constante, ou seja, no foi considerando a
influncia do movimento alternativo do pisto. Heywood, 1988, tambm descreve resultados de
modelos multidimensionais. Um trabalho moderno, utilizando um modelo de turbulncia tipo
LES, tridimensional e com malha adaptativa para levar em conta o movimento do pisto foi
apresentado por Toledo, Penven, Buffat e Vianna, 2002. Contudo, a maioria destes modelos est
mais preocupada em testar parmetros de turbulncia ou prever zonas de estagnao de mistura
do que obter os valores dos coeficientes de descarga das vlvulas. O ajuste de um modelo
multidimensional para prever os coeficientes de descarga permitiria propor um modelo semi-
emprico mais preciso para ser utilizado nos modelos quase-dimensionais. Outro problema destesmodelos encontrados na literatura a dificuldade de relacionar os campos de velocidades no
interior do cilindro com as leis empricas para velocidade mdia do gs ou com previses da
equao de quantidade de movimento usada neste trabalho.
Os trabalhos de Oliveira, Neves e Vianna, 1995, e Oliveira, Arbos, Vianna e Neves, 1996
apresentam medidas de presso no cilindro sem e com detonao feita com equipamentos
adequados e calibrados dinamicamente. Estes trabalhos correlacionaram os sinais dos sensores
de detonao com a curva de presso medida. O formato da curva de presso para o caso sem
detonao pode ser assumida como tpica para motores com ignio central e fora do ponto
timo de avano de ignio. As medies foram capazes de detectar a instabilidade da presso
no momento da ignio.
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A calibrao dinmica e aspectos importantes de instalao de sensores nas medies de
presso so discutidos por Vianna e Carvalho, 1995. Foi detalhado o fenmeno de
amortecimento do sinal de presso medido em funo do adaptador de instalao do sensor no
cabeote do cilindro. Os autores indicam que uma tomada separada sofre menos amortecimento
que uma tomada junto vela de ignio. Outras recomendaes de posicionamento de sensores
de presso e influncia da temperatura so descritas por Dbendorfer e Wolfer, 1985.
As medies de presso no cilindro so retomadas por Bueno, Milanez e Velasquez, 2002,
visando extrair dados de queima e transferncia de calor a partir da derivada da curva de presso.
Os resultados indicam que as evolues da frao queimada so semelhantes s medidas em
bombas de queima esfricas (Taylor, 1988). Os procedimentos de tratamento das derivadas de
presso e sua correlao com a velocidade de queima so semelhantes aos descritos por Carvalho
e Barros, 1990.
A potncia de atrito foi estudada por Farinha, Carmona e Vianna, 1990, utilizando medidas
experimentais. Foi proposta nova relao para motores de ignio por centelha, multicilindros
dotados de mancais mais modernos e com cilindrada variando de 1300 a 4770 cm3. Esta relao
supe que a presso mdia de atrito uma funo biparamtrica, de segunda ordem, da presso
mxima no interior do cilindro e da velocidade de rotao do motor.
Os aspectos dimensionais dos motores e influncias no desempenho foram tratados no
trabalho de Zhang, Sinha e Gilmore, 1995. Um modelo dinmico de rotao de corpo rgido com
amortecimento aplicado ao motor a pisto. Para o regime permanente o modelo resolvido
analiticamente atravs da expanso em srie de Taylor, considerando apenas os termos de
primeira ordem. Uma soluo por integrao numrica, usando o mtodo de Monte Carlo para as
tolerncias tambm proposto. A concluso que os dois mtodos de anlise dos efeitos dastolerncias de fabricao levam a mdias e desvios padres idnticos, mas o mtodo de Monte
Carlo demanda mais volume de clculos (1500 rodadas de simulao).
A confiabilidade dos motores e componentes mecnicos tratada nos trabalhos de Golabek e
Wisniewski, 1996, e de Texeira e Cavalca, 1998. O primeiro especfico sobre motores
apresentando um modelo de hierarquia de componentes (diagrama tipo rvore). Contudo, ambos
abordam os aspectos estatsticos da confiabilidade e no apresentam aplicaes diretas, nem
sugerem valores para os parmetros de distribuies de probabilidade de falha dos componentes.
A anlise de confiabilidade muito importante para avaliar o comportamento dos motores ao
longo de sua vida til.
O trabalho mais extenso e detalhado sobre ensaios de motores a pisto devido a Plint eMartyr, 1999. A primeira anlise apresentada o balano de energia em um banco de ensaios.
Tomando um banco para motores de 100 kW, a energia consumida no ensaio e tambm
dissipada para o ambiente da ordem de 300 kW, ou seja, o gasto de energia (eltrica e
trmica) em um ensaio o triplo de energia gerada pelo motor. Os autores fazem uma descrio
dos tipos de bancos existentes, os itens bsicos necessrios e descrevem a disposio fsica
("layout") destes. O controle do dinammetro descrito como funo de duas variveis:
acelerao do motor e torque do dinammetro. Os modos de controle so classificados em:
posio/posio, posio/velocidade, posio/torque (para Diesel), velocidade/torque,
torque/velocidade. Conforme o parmetro mantido constante no sistema motor/dinammetro,
respectivamente. Por posio entende-se que o motor ou o dinammetro, ou ambos, esto livres
para variar o torque com a velocidade, atingindo o equilbrio quando o torque for igual nos dois
equipamentos.
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Os dinammetros hidrulicos variam o seu torque com o quadrado da velocidade de rotao.A configurao da instalao eltrica necessria aos bancos descrita em detalhes. Os clculosdas cargas trmicas, dos dutos de ventilao e descries sobre o circuito de resfriamento sotambm apresentados. Uma discusso feita sobre as fundaes (bloco ssmico) do banco, tiposde fixaes absorvedoras de vibraes e nveis de rudo envolvidos, visando isolar o banco doambiente externo. So tambm apresentados os sistemas para o combustvel, gua e exausto dosgases de combusto. Os diversos tipos de dinammetros (Frico, Hidrulicos, Eltricos eAerodinmico) so comparados detalhadamente. chamada a ateno para o fato de que algunstipos de dinammetros possuem direo de rotao fixa para medir torque. Quando umdinammetro chamado de quatro quadrantes isto significa que este capaz de medidas emqualquer sentido de rotao (horrio ou anti-horrio), como por exemplo, os dinammetroshidrulicos. So apresentados os mapas de torque versus rotao, para cada tipo de dinammetro.
Um mapa tpico para um dinammetro hidrulico contm os limites de: a) carga mxima; b)torque mximo; c) potncia mxima; d) rotao mxima; e) vazo mnima de gua; onde deveser sobreposta a curva de motor a pisto para verificar a adequao do dinammetro.Os critriosde escolha do tipo de dinammetro so listados pelo autor. O acoplamento eixo do motor e eixodo dinammetro analisado em termos de toro mxima e da velocidade crtica do conjunto.As principais variveis de medidas so definidas como sendo torque e consumo especfico decombustvel. O consumo determinado por sistemas de medida volumtricos e mssicos que sodiscutidos em detalhes. As normas de ensaio internacionais da ISO e as normas britnicas soreferenciadas. So discutidas as correes de potncia devido temperatura, presso e umidaderelativa da atmosfera local. Uma avaliao da carga trmica de resfriamento do motor usadapara dimensionar o trocador de calor do banco.
No trabalho ainda encontrada uma discusso sobre os ensaios de avaliao de perdasmecnicas. Estes testes so classificados em: Diagrama indicador, onde a medida da presso nocilindro permite estimar a presso mdia de atrito; Acionamento externo, onde o motor acionado por um dispositivo externo com a ignio desligada; Morse, onde a ignio de cadacilindro desligada seguindo uma dada seqncia; Linha de Willian, onde a curva medida deconsumo especfico versus torque de um motor Diesel extrapolada para o ponto de consumozero. Os fenmenos envolvendo o preparo da mistura ar-combustvel so tratados do ponto devista das medies e os parmetros envolvidos, ou seja, mistura rica e pobre, razo mssica dear-combustvel, razo ar-combustvel estequiomtrica, fator lambda e razo de equivalentes, sodetalhadamente definidos. As normas mais recentes de emisses e a instrumentao associadaso descritas e os poluentes so definidos (partculas, SO2, NOx, CO2, CO). Os testes transientesso classificados pelo autor conforme a escala de tempo envolvida: 0 a 0,2 s (5 a 500 Hz), paraverificar os efeitos mecnicos no motor; 0,5 a 2,0 s, para avaliar efeitos da transmisso;1,0 a 10 s, para simular e o motorista; 1 a 10 min, para efeitos do perodo de aquecimento domotor.
A carga tpica sobre o motor, em estradas apresentada, informando que os dinammetros decorrente contnua e alternada so os mais adequados para simular esta curva de carga. Tambmuma discusso detalhada apresentada sobre dinammetros de rolo e sua instalao na rea deensaio. Os teste de lubrificante so listados (Normas ASTM) e h uma introduo sobre as fontesde atrito no motor (acessrios, 22,5%, circuito de leo, 5%, acionamento das vlvulas, 6%,bielas, 10%, rvore de manivelas, 12,5%, pisto, 25%, e anis de vedao, 19%). O sistema de
aquisio, envolvendo em torno de 40 variveis, descrito e so comparadas as leituras pormeios manuais e por computador.
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A organizao da equipe de ensaio detalhada no texto. Para a definio da seqncia de
ensaios sugerido o mtodo estatstico multiparamtrico proposto por Taguchi. Contudo,
maiores detalhes sobre planejamento de ensaios so encontrados no trabalho de Golverk, 1992,
descrito mais frente. A seo que trata de anlise de incertezas ultrapassada, sendo
recomendada o uso das normas ABNT ISO 5725-1 a 6:1994, como guia mais atual.
O tratamento de dados experimentais o objetivo do trabalho de Golverk, 1992. Pela
metodologia apresentada, os dados de ensaio em banco de motores podem ser correlacionados
por um polinmio de segunda ordem, multiparamtrico.
(2.1)
onde, SFC = consumo especfico de combustvel
N = velocidade de rotao[ = torque
ki = constantes do polinmio, i = 1..6
O ajuste da equao acima feito pelo mtodo dos mnimos quadrados a partir de dados de
ensaios. O sistema de equaes para clculo das constantes apresentado no trabalho.
Convencionalmente, para montar um mapa de desempenho do motor necessrio analisar
10 a 15 regimes de funcionamento, envolvendo 4 a 5 ensaios em cada regime, com
12 a 15 variveis monitoradas, ou seja, so necessrias 400 a 600 medies. Assim, o autor
sugere um grupo reduzido de 35 ensaios que associados metodologia de ajuste polinomial
permite construir o mapa do motor com um menor esforo experimental (10 vezes menor). A
faixa de velocidades de rotao recomendada para os ensaios de 0,5 a 1,0 vezes a velocidadenominal de rotao, com intervalos de 0,05. A velocidade mxima de rotao est entre 4 a 6 %
maior que a velocidade nominal. Para o torque a faixa de ensaio varia de 0,1 a 1,0 vezes o torque
nominal, com intervalos de 0,1. Os erros experimentais esto na faixa de 1,5 a 2,0 %, e para o
caso analisado no artigo (motor diesel multicilindro) a diferena entre os parmetros medidos e o
previsto pelo polinmio ficou entre 0,8 e 1 %. A correlao proposta por Golverk muito til
para montagem de mapas usando dados publicados de motores, que em geral so fornecidos com
pouco detalhamento. Na avaliao de desempenho envolvendo o veculo a correlao proposta
substituir uso de tabelas extensas e interpolao multiparamtricas, poupando tempo de
computao. No caso de mapas mais complexos, com vrios vales e picos de consumo
especfico, o ajuste proposto pode ser aplicado por faixas, gerando grupos de coeficiente vlidos
para cada regio do mapa.
Stevens, Shayler e Ma, 1995, tambm estudaram a construo de mapas de desempenho de
motores a pisto. A anlise paramtrica dos dados de ensaios semelhante proposta por
Golverk, 1992. O parmetro dependente a presso mdia efetiva, e os parmetros
independentes e suas faixas de variao so: rotao (1000 a 4000 rpm), presso de admisso
(350 a 900 mbar), razo ar-combustvel (12:1 a 18:1), atraso de ignio (0 a 52 antes do PMS).
Foram efetuados 27 testes de parmetros em um motor 4 cilindros com um volume deslocado de
2 litros cada um, conforme seqncia apresentada pelos autores.
2
65
2
4321
k
NkNk
kNkkSFC +++++=
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Os resultados foram processados por mtodos estatsticos e por mtodos envolvendo redes
neurais. O mapa obtido foi considerado bom, desde que seja refinado, com ensaios extras nas
regies de maior variao. O nmero mximo de parmetros variados ao mesmo tempo foi de 4,
no sendo recomendado aumentar este nmero. A anlise por redes neurais foi, segundo os
autores, melhor que a anlise estatstica, contudo, analisando os resultados apresentados pode-se
considerar que estes no so conclusivos.
Mauer, 1991, desenvolveu uma tcnica para determinao de torque em funo de medidas
de variao da velocidade de rotao do motor sem carga. O tipo de ensaio, que foi chamado de
"snap test", consiste em deixar o motor, com total acelerao, aumentar a sua velocidade de
rotao sem carga aplicada no eixo. A inclinao da curva de rotao versus tempo (ou ngulo da
rvore de manivelas), indica a acelerao do motor e pode ser convertida em torque. Os testes
com um motor de 8 cilindros, 4 tempos, ciclo Diesel, na faixa de 800 a 2900 rpm, mostraram que
o torque medido em condies estticas difere do torque obtido pelo novo mtodo em apenas2,5 %. Em motores com defeitos nas vlvulas ou no sistema de injeo de combustvel o erro
atingiu 4 %. Deve-se observar que a curva de torque de um motor Diesel bem linear com a
rotao.
Barros, M. T., 1993, descreve a adaptao de um dinammetro tipo Froude para aquisio e
controle automticos por computador. O trabalho detalha o modelo de vlvula borboletas usadas
para controlar a quantidade de gua dentro do rotor e, portanto, a carga aplicada. O modelo do
dinammetro baseado nas equaes de balano da mecnica dos fluidos. O objetivo propor
uma funo de transferncia mais adequada ao controle da carga do dinammetro. Os parmetros
da funo foram escolhidos a partir de ensaios do dinammetro sem carga, com carga total e com
motor acoplado.Fleury e al., 1997, apresentam uma simulao de dinammetro hidrulico acoplado a um
motor a pisto queimando gs natural. O modelo apresentado Zerodimensional, envolvendo a
admisso de ar, a dinmica rotacional do sistema e o funcionamento do motor. A admisso de ar
simulada por equaes de escoamento unidimensional em orifcios com coeficiente de
descarga para vlvula borboleta. O funcionamento do motor modelado por eficincia trmica,
vazo de ar na admisso e poder calorfico do combustvel. O modelo de dinmica rotacional
envolve o torque indicado, o torque de atrito, o torque do dinammetro e o momento de inrcia
do conjunto motor-dinammetro. O torque do dinammetro calculado pela geometria deste,
que regula o volume de gua, e pela velocidade de rotao ao quadrado, que controla a perda de
carga no dinammetro. Neste modelo, de 2 ordem, so considerados mais dois termos, um
devido ao amortecimento e outro devido a constante de mola do sistema. Os valores usados ou a
sua forma de clculo no so mencionadas. A vlvula do dinammetro modelada da mesma
forma que a borboleta de acelerao. O controle usado do tipo PID, podendo manter constante
o torque ou a velocidade de rotao. Com o modelo, o torque que ser medido previsto a partir
da posio da vlvula de admisso, do nvel de gua no dinammetro, da posio da vlvula de
controle, da posio do pisto e da rotao.
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As simulaes foram feitas para uma acelerao correspondente a uma mudana de ngulo da
vlvula borboleta de 68 a 80, em 28 s. Para o modo de controle de torque constante, o
comportamento do torque hidrulico mais suave que a variao do torque do motor. Para o
modo de rotao constante, o torque hidrulico superior ao torque do motor. Isto ocorre durante
a durao do transiente e indica que nesta fase as leituras do banco, que so referidas ao torque
hidrulico, no representam o torque do motor. Como concluso extra, a partir dos dados
apresentados, pode-se dizer que o modo de velocidade constante possui um tempo de resposta
menor ( 1 s) que o modo de torque constante ( 2 s). Pode-se ainda dizer que para
dinammetros hidrulicos, o tempo de resposta da ordem de segundos, permitindo leituras
dinmicas com variaes da escala de tempo superiores, tais como, efeitos de carga na estrada ou
cidade. Infelizmente, a confirmao experimental no facilmente executada para ensaios
transientes.
A norma de ensaio usada no Brasil a NBR ISO 1585, de Jun/1996, para medidas depotncia lquida de motores a pisto usados em veculos rodovirios. Ela especfica s condies
de ensaio de motores projetados para veculos rodovirios, as correes nas medidas e as formas
de apresentao das curvas de potncia e de consumo especfico de combustvel plena carga
em funo da rotao do motor. As incertezas de medio exigidas para os parmetros medidos
so apresentadas na Tabela 2.1, juntamente com as incertezas levantadas por calibrao dos
equipamentos utilizados (ABNT ISO 5725). Os componentes auxiliares a serem montados no
motor para a medida da potncia lquida efetiva, so somente os necessrios para a operao do
motor na bancada de ensaio, mantendo a configurao o mais prxima possvel da mesma na
aplicao pretendida. As condies de regulagem devem ser de acordo com as especificaes de
produo do fabricante, sem alterao posterior para a aplicao particular.
TABELA 2.1. Incertezas nas medies exigidas pela Norma NBR-ISO-1585
Grandeza Incerteza Exigida
Torque 1 %
Rotao 0.5 %Fluxo de combustvel 1 %Temperatura de combustvel 2 KTemperatura do ar 2 K
Presso baromtrica 100 PaContrapresso de exausto 200 Pa
Depresso de admisso
50 PaPresso absoluta de admisso 2 %
A norma estipula as condies para a realizao do ensaio, tais como, amaciamento prvio,
partida e aquecimento do motor; as condies para montagem dos sensores de temperatura e
presso; as condies limites e faixas de trabalho para ar, gua e leo e as condies para obter a
mxima potncia. As condies atmosfricas devem ser o mais prximo possvel das condies
de referncia, ou seja, 25 C, 100 kPa e 32 % de umidade relativa, a fim de minimizar o fator de
correo. O limite de temperatura para ensaio 13 at 33 C. O limite para ensaio da presso
seca 80 at 110 kPa.
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A correo de torque e potncia medida deve ser feita pelas equaes apresentadas na norma,
levando em conta, o tipo de motor (Otto ou Diesel), a presso atmosfrica, a umidade relativa e a
temperatura local. As correes aplicadas objetivam levar as medidas realizadas para as
condies de referncia, de forma a permitir comparaes com outros ensaios e com os valores
declarados pelos fabricantes.
Para a realizao de leituras de dados necessrio que o torque, a rotao e as temperaturas
estejam constantes a pelo menos um minuto. Sendo que, a rotao no deve desviar mais que
1 % ou 10 rpm do valor selecionado. As leituras do torque devem ser tomadas com um
intervalo de, pelo menos, 1 minuto e no devem diferir mais que 2% entre si. Deve-se ressaltar
que este procedimento visa um sistema de leitura visual e registro a ser executado por um
operador humano. O ensaio iniciado a mxima rotao, depois se reduz esta, seguindo um
decremento predeterminado que , em geral, de 500 rpm ou, algumas vezes, de 250 rpm. Este
procedimento se justifica pelo fato do motor estar no regime de mxima rotao ao fim doperodo de aquecimento, assim mais fcil diminuir sua rotao. Contudo, o regime de
desacelerao menos sensvel a efeitos dinmicos do conjunto motor-dinammetro sobre a
medida de torque que o regime de acelerao.
A norma NBR ISO 1585 especifica ainda as tolerncias para comparao entre as curvas de
torque e potncia versus rotao medidas e os valores declarados. Para ensaios de verificao dos
valores declarados as diferenas podem ser de at 4 %. Para ensaios de conformidade de
produo as diferenas podem ser de at 6 %.
Outro ponto importante focado por este trabalho a aplicao da Anlise Orientada a Objetos
modelagem de motores de combusto interna. Atualmente, a indstria de software assumiu
como padro tecnolgico a orientao a objetos. Contudo, a maior parte das aplicaescientficas continua a ser implementada com tcnicas de programao estruturada. Este fato no
permite que as aplicaes cientficas faam uso das novas metodologias e ferramentas de
programao. A modelagem de objetos j uma realidade em aplicaes comerciais e possui a
pseudolinguagem UML reconhecida como padro internacional (Furlan, 1998 e Fowler, 2000).
Como exemplo de aplicaes cientficas com modelagem de objetos esto pacotes
computacionais dedicados soluo de problemas em estruturas usando tcnicas de elementos
finitos (FEM), descritos por Devloo, 2000 e Pitangueira e Silva, 2000. Deve-se lembrar que a
modelagem por objetos foi criada para lidar com problemas complexos de modo a permitir gerar
cdigos bem estruturados, evolutivos e reutilizveis.
Em 1998, foi colocado venda, somente para o mercado Norte-americano, o programa decomputador denominado GECAT - Graphical Engine Cycle Analysis Tool, destinado a fazer a
anlise de ciclo real de motores aeronuticos do tipo turbina a gs. O referido programa trata o
motor de forma modular, permitindo construir o ciclo de funcionamento atravs da adio de
componentes do motor (figura 2.2). O resultado apresentado, pelo GECAT, a previso de
desempenho do motor em vrias condies de uso, alm de permitir fazer anlises paramtricas
para estudos na fase de projeto de novos motores. O modelo implementado unidimensional, em
regime permanente. Este produto foi desenvolvido pelo programa NEPP (NASA Engine
Performance Program) sob controle da JANNAF ao longo de 10 anos.
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Isto indica que existe uma lacuna no mercado de programas de simulao para um software
de Anlise de Ciclo voltado para Motores a Pisto, tanto para uso automotivo como aeronutico,
seguindo o mesmo padro do GECAT. Os programas computacionais para anlise de motores a
pisto existentes no mercado mundial so muito acadmicos, de difcil uso e com formatos de
sadas de dados, muitas vezes, defasados do desejado para atender as necessidades da indstria.
Deve-se ressaltar que a maioria dos modelos citados Zerodimensional e envolve duas
equaes de conservao, Massa e Energia. A maior parte deles tambm trata de motores
monocilindros. Nenhum dos modelos inclui a equao da conservao da quantidade de
movimento, que permite ligar os fenmenos que ocorrem no interior do cilindro com o
acionamento externo da carga, ou seja, torna o modelo capaz de calcular os transientes de
rotao do motor. Poucos modelos transformaram os dados do diagrama indicador em curvas de
potncia ou mapas do motor multicilindros, necessrias para a anlise prtica dos motores de
combusto interna.
FIGURA 2.2 - Tela do Programa GECAT para Anlise de Ciclo Real deMotores Tipo Turbina a Gs
Tentando conseguir um pequeno avano na modelagem de motores de combusto interna,
pretende-se, neste trabalho, realizar o desenvolvimento de uma metodologia terica que permita
trabalhar com a equao da conservao da quantidade de movimento e ligar os fenmenos que
ocorrem no interior do cilindro com os parmetros de acionamento externo, obtendo-se
resultados dos transientes de rotao do motor. Por outro lado, pretende-se elaborar um programa
de anlise de motores a pisto de fcil utilizao e atualizao, para atender s necessidades da
indstria na rea de projetos e desenvolvimento.
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3. OBJETIVOS E RELEVNCIA DO TRABALHO
Como objetivos deste trabalho tem-se:
propor um modelo computacional para previso de desempenho (potncia, torque e consumo
especfico versus rotao) para motores de ignio por centelha (ICE);
desenvolver um cdigo computacional usando modelagem de objetos de forma a permitir
maior facilidade para atualizaes futuras (cdigo reutilizvel) e torn-lo disponvel para a
comunidade;
adquirir conhecimentos e informaes de funcionamento de motores de combusto internapelo Laboratrio de Motores da UFMG, visando criao de novas tecnologias na rea.
Os seguintes aspectos foram considerados na colocao destes objetivos.
Nos ltimos cinco anos, o Brasil ampliou a produo de motores automobilsticos,
principalmente, na cilindrada de 1000 cm3. Esta produo no est mais restrita ao nmero de
veculos produzidos no Brasil, pois parte dela est direcionada a exportao para atender
montadoras no exterior. O nmero de patentes requeridas na rea de motores tambm tem
aumentado, devido a incorporaes tecnolgicas nos motores, tais como, pequenos
turbocompressores (Volkswagem e Garret), ressonadores (FIAT), estratgias de fasamento na
partida (FIAT e Bosch), etc. Entretando, a maio
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