estudo de motores de combustão interna

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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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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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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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

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

estudo de motores de combustão interna

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