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Estudo das implicaes da cambota de geometria vari vel de Sousa Lobo no desempenho termodinmico de Motore s

de Combusto Interna

Catarina Pimenta Franco Lopes

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Mecnica

Jri Presidente: Prof. Doutor Luis Rego da Cunha de Ea Orientador: Prof. Doutor Jos Miguel C. Mendes Lopes Co-Orientador: Prof. Doutor Lus Alberto Gonalves de Sousa Vogal: Prof. Doutor Joo Fonseca Pereira Vogal: Eng. Sousa Lobo

Outubro de 2011

II

I

RESUMO

A tecnologia de base dos motores de combusto interna est perfeitamente dominada, no

entanto, assistimos periodicamente ao desenvolvimento de sistemas com o objectivo de

aumentar a sua eficincia e diminuir o consumo de combustvel, e assim, a emisso de

poluentes.

Com este objectivo em mente aqui apresentado o motor de cambota de geometria varivel

(CGV), criado pelo Eng. Sousa Lobo.

O movimento do ponto de accionamento de uma cambota clssica (CC) relativamente ao seu

centro de rotao realiza uma circunferncia; enquanto que o ponto de accionamento da CGV

realiza uma curva que pode apresentar formas muito diversas, da famlia das epicicloides.

Verificaram-se as vrias possibilidades geomtricas da CGV em busca de um movimento do

mbolo semelhante ao clssico, contudo com diferenas que permitam melhorar a sua

perfomance.

A nvel estrutural realizaram-se estudos estticos numa vertente comparativa com o motor CC.

Efectuaram-se vrias anlises e consideraes, no que diz respeito s diferenas encontradas

no movimento do mbolo.

Analisaram-se os parmetros que influenciam o ciclo termodinmico, recorrendo ao software

MotorIST, desenvolvido no mbito deste estudo para o motor CGV.

Sob o ponto de vista construtivo, o motor CGV apresenta maior complexidade. Estando sujeito

a maiores esforos dinmicos estes tero que ser estudados de uma forma mais aprofundada,

bem como a questo do equilbrio da cambota.

A CGV apresenta maiores perdas mecnicas e emisses de CO e NOx ligeiramente superiores.

Apresenta tambm maior tendncia para detonar. No entanto, o motor CGV possui uma

expanso real e um rendimento volumtrico superior, permitindo o aumento do binrio do

motor.

Neste estudo preliminar no foram encontrados fundamentos que inviabilizassem o motor

CGV.

II

III

ABSTRACT

The technology behind internal combustion engines is thought to be vastly understood.

However, we periodically observe system developments aiming to increase efficiency and

reduce fuel usage and consequently reduce gas emissions.

With this objective in mind this work presents the variable geometry crankshaft (VGC) engine

developed by Eng. Sousa Lobo.

In a classic crankshaft (CC) the action point movement describes a circumference with respect

to its center of rotation whilst in a VGC the action point movement can have different

epicycloidal shapes.

Several geometrical configurations for this crankshaft were verified in the search for a piston

movement similar to the classical one, although with small crucial differences that could lead to

an increased performance.

On a structural level, the analysis of the statical loads suggest no fundamental issues that render the VGC enviable. In addition several analysis on the piston movement within the combustion chamber were made and compared to the CC case.

We also investigated the parameters that influence the thermodynamic cycle based on the

MotorIST application, developed in this work for the CGV engine.

From a manufacturing viewpoint the VGC engine presents an increased complexity and larger

dimensions. Due to higher dynamical loads a detailed and in-depth study is needed as well as a

full analysis of the crankshaft balance.

The VGC presents larger mechanical losses; concerning gas emissions it presents increasing

levels of CO and NOx. This engine also shows a tendency towards knocking. On the other hand

the VGC engine has advantages in terms of an improvement of the expansion and volumetric

efficiency leading to an increase in engine torque.

IV

V

PALAVRAS-CHAVE

Cambota de geometria varivel

Cambota clssica

Desempenho do motor

Anlise termodinmica

Cinemtica do mbolo

KEYWORDS

Variable geometry crankshaft

Classic crankshaft

Engine performance

Thermodynamic analysis

Piston Kinematics

VI

VII

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todos os que, sua maneira, me acompanharam e apoiaram na

elaborao deste trabalho:

Ao Professor Mendes Lopes pela sua imediata disponibilidade, pacincia e colaborao em

todas as fases do trabalho e reviso crtica do texto aqui explanado. Ao Professor Lus Sousa

agradeo tambm a sua disponibilidade e o apoio prestado ao longo do decorrer deste

trabalho.

minha famlia, especialmente minha Me, pelo apoio que me deram na recta final.

s minhas colegas de curso e grandes amigas Zlia, Lusa e Cristiana pela fundamental

reviso editorial e de texto e ao meu grande amigo Nuno pelo acompanhamento ao longo de

todo o trabalho.

Aos meus colegas de trabalho e amigos, Joo Alves e Joo Martins por todo o seu apoio e em

especial ao Rogrio Mota pelo seu indispensvel know-how e infindveis brainstormings.

A todos aqueles que de alguma forma me apoiaram, contribuindo para o meu crescimento

pessoal e profissional.

VIII

9

NDICE

ndice

RESUMO ............................................................................................................... I

PALAVRAS -CHAVE................................................................................................ V

KEYWORDS .......................................................................................................... V

AGRADECIMENTOS ............................................................................................. VII

NDICE ................................................................................................................. 9

NDICE DE FIGURAS ............................................................................................. 11

NDICE DE TABELAS ............................................................................................ 12

SIMBOLOGIA ...................................................................................................... 15

CAPTULO 1 ....................................................................................................... 17

INTRODUO ...................................................................................................... 17

CAPTULO 2 ....................................................................................................... 23

METODOLOGIA E ANLISE PRELIMINAR ................................................................ 23

2.1 Metodologia ...................................................................................................... 23

2.2 Programas utilizados ......................................................................................... 24

2.3 Anlise Preliminar ............................................................................................. 26

2.3.1 Razo de transmisso entre as engrenagens das rodas dentadas da manivela

secundria (satlite) e das engrenagens fixas ................................................................... 26

2.3.2 Relao entre o comprimento da manivela principal e o comprimento da manivela

secundria .......................................................................................................................... 29

2.3.3 Desfasamento angular entre a manivela principal e a manivela secundria ............ 32

2.3.4 Anlise termodinmica qualitativa ............................................................................. 34

2.3.5 Concluses da Anlise Preliminar ............................................................................. 35

CAPTULO 3 ....................................................................................................... 37

ANLISE ESTRUTURAL ........................................................................................ 37

3.1 Implementao da geometria no SolidWorks .................................................... 37

3.2 Simulaes estudadas ...................................................................................... 39

3.2.1 Motor equivalente CC ................................................................................................ 39

3.2.2 Anlise Estrutural Esttica ......................................................................................... 40

3.2.3 Comparao dinmica entre CGV Aa9 e CC ............................................................ 45

3.3 Aspectos construtivos ....................................................................................... 47

3.3.1 Projecto do motor CGV ............................................................................................. 47

3.3.2 Lubrificao, rgos auxiliares e perifricos e distribuio ....................................... 48

10

CAPTULO 4 ....................................................................................................... 49

ANLISE TERMODINMICA ....................................................