Estudo experimental da influência de um ressonador de volume variável na massa de ar admitida por... por Leonardo Vinicius Mendes Pereira - Versão HTML

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Tese de doutorado

Área de Concentração: Calor e Fluidos

Estudo Experimental da Influência de um Ressonador de Volume

Variável na Massa de Ar Admitida por um

Motor de Combustão Interna

Leonardo Vinícius Mendes Pereira

Orientador: Prof. Dr. Ramón Molina Valle

Co-Orientador: Prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot

Belo Horizonte

Dezembro de 2008

Estudo Experimental da Influência de um Ressonador de

Volume Variável na Massa de Ar Admitida por um

Motor de Combustão Interna

Tese apresentada ao programa de Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas

Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de

Doutor em Engenharia Mecânica.

Área de concentração: Calor e Fluidos

Orientador: Prof. Dr. Ramón Molina Valle

Universidade Federal de Minas Gerais

Co-Orientador: Prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot

Instituto Politécnico da PUC Minas

Belo Horizonte

Dezembro de 2008

iv

Resumo

A dinâmica nos condutos de admissão em motores de combustão interna envolve

grandezas tais como o comprimento, diâmetro, a rotação do eixo comando de válvulas e

demais geometrias e acessórios existentes. Os movimentos alternativos das válvulas de

admissão e do pistão produzem fenômenos de geração de ondas de pressão que se

propagam pelo conduto. Tais ondas, se oportunamente aproveitadas, podem aumentar a

quantidade de massa de ar admitida. No presente trabalho é desenvolvido o projeto e o

controle eletrônico de um ressonador de volume variável, visando o aumento de massa de

ar admitida no motor. Também é apresentada uma metodologia completa para

aproveitamento dos efeitos pulsantes que se propagam pelo conduto de admissão. Um

estudo experimental dos volumes requeridos e do melhor posicionamento do ressonador no

conduto de admissão foi realizado em banco de fluxo, objetivando analisar sua influência

na quantidade de massa de ar admitida pelo cilindro. Após a implementação do controle

eletrônico foram realizados testes dinâmicos no banco de fluxo para avaliar a resposta do

ressonador eletrônico para os volumes requeridos. Foi avaliado o desempenho do

ressonador em dinamômetro de bancada e obtida as curvas características do motor com o

ressonador instalado antes e depois da borboleta de controle de carga de um motor de

produção seriada. Os resultados mostram o melhor posicionamento e a viabilidade da

utilização de um ressonador eletrônico que permita, para cada rotação e carga do motor,

ajustar a sintonia com as ondas de pressão no sistema de admissão, de forma a obter

ganhos de desempenho para todos os regimes de rotação do motor em plena carga.

PALAVRAS CHAVES: motor de combustão interna, conduto de admissão, ressonador de

Helmholtz.

v

Abstract

The dynamic of intake manifold admission on internal combustion engines involves

parameters such as length, diameter, camshaft rotation and other geometries and

accessories. The alternative movements of the admission valves and piston produce the

phenomena of generation of pressure waves that spread through the conduit. Such waves,

if well used, can increase the air mass quantity admitted. In the present work it is

developed the project and the electronic control of a resonator of variable volume, with the

main goal to increase the volume of air admitted by the engine. It is also presented a

complete methodology to use the pulsing effects spreading through the admission conduct.

An experimental analysis of the requested valves and resonator position in the intake

conduits was evaluated in flow bench, aiming its influence in the amount of mass air

admitted by the cylinder. After implementation of the electronic control dynamics tests

were performed in flow bench, to evaluate the performance of electronic resonator to the

required volume. The resonator’s performance has been evaluated on a bench

dynamometer. The characteristics curves were obtained from the engine with the resonator

installed before and after the throttle. The results show the best position and feasibility of

using an electronic resonator enabling, for each engine rotation and load, adjust the

pressure waves on intake manifold, therefore improving the engine performance for all

engine rotations at full load condition.

KEY WORDS: internal combustion engine, intake manifolds, Helmholtz resonator.

vi

Este trabalho é dedicado a meus pais,

Vandeyr e Dayse, a minha avó (Líbia), em

especial a minha namorada, Jussara, a todos

os meus familiares e a Deus. Sem a

compreensão e o apoio de todos não seria

possível a sua realização.

vii

Agradecimentos

Muitos foram os que contribuíram para que este trabalho chegasse ao seu final, assinalando

meu reconhecimento especial:

ao orientador prof. Dr. Ramón Molina Valle;

ao co-orientador prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot;

aos amigos da Fiat Automóveis e da FPT Powertrain Technologies;

ao Eng. Leonardo da Mata Guimarães;

aos amigos do Laboratório Banco de Fluxo da PUC Minas;

aos técnicos da PUC Minas Pedro Kapler e Carlos Eduardo dos Santos e ao Eng. Vinícius

Maia de Sá pelo auxílio na parte experimental;

à UFMG, instituição responsável pelo programa de pós-graduação;

ao Departamento de Engenharia Eletrônica, em especial ao Eng. Alexandre Pereira Leal,

ao Eng. Gabriel Teixeira Braga e ao Prof. Dr. Marcos Antônio Mendes Severo.

ao CNPq, pela bolsa de estudos em uma etapa do trabalho;

à PUC Minas, FPT Powertrain Technologies e a FIAT Automóveis, pela colaboração com

o fornecimento de equipamentos, da estrutura, do material e do local para a realização dos

testes experimentais;

A todos que me ajudaram de alguma forma, meus sinceros agradecimentos.

viii

SUMÁRIO

Resumo......................................................................................................................

iv

Abstract......................................................................................................................

v

Dedicatória.................................................................................................................

vi

Agradecimentos.........................................................................................................

vii

Sumário......................................................................................................................

viii

Lista de figuras...........................................................................................................

xi

Lista de tabelas...........................................................................................................

xviii

Simbologia.................................................................................................................

xix

1.

Introdução...................................................................................................

1

1.1.

Aspectos gerais...........................................................................................

1

1.2.

Estado da arte.............................................................................................

2

1.3.

Escopo do trabalho.....................................................................................

5

2.

Objetivos e relevância................................................................................

5

2.1.

Objetivo geral.............................................................................................

5

2.2.

Objetivos específicos..................................................................................

5

2.3.

Relevância do trabalho...............................................................................

6

3.

Revisão bibliográfica..................................................................................

7

3.1.

Introdução...................................................................................................

7

3.2.

Dinâmica dos condutos de admissão..........................................................

8

3.3.

Dinâmica dos ressonadores........................................................................

27

3.4.

Dinâmica do escoamento através do acionamento das válvulas................

37

3.5.

Ondas Acústicas e suas características.......................................................

38

3.6.

Teoria de controle eletrônico......................................................................

43

3.6.1.

Introdução...................................................................................................

43

3.6.2.

Motor de corrente contínua........................................................................

43

3.6.3.

Inércia efetiva e amortecimento efetivo.....................................................

43

3.6.4.

Conversor cc-cc ponte completa efetivo....................................................

47

3.6.5.

O efeito do tempo morto............................................................................

51

3.6.6.

Controlador DSP TMS320LF2407 da família C2000................................

53

3.6.7.

Análise no domínio da freqüência..............................................................

53

3.6.8.

Filtros Ativos Passa-Baixas........................................................................

54

3.6.9.

Aplicação de dispositivos de controle........................................................

62

3.7.

Testes de desempenho em dinamômetro de bancada.................................

64

3.8.

Considerações finais...................................................................................

65

4.

Metodologia...............................................................................................

66

4.1.

Introdução...................................................................................................

66

4.2.

Desenvolvimento do ressonador de volume variável.................................

66

4.2.1.

Desenvolvimento do sistema mecânico do ressonador de volume

66

variável.......................................................................................................

4.2.2.

Metodologia experimental e numérica para o controle eletrônico do

72

ressonador...................................................................................................

4.2.2.1. Introdução...................................................................................................

72

4.2.2.2. Levantamento das curvas de pressão e temperatura...................................

75

4.2.2.3. Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta.......................

79

4.2.2.4. Levantamento da curva do sensor de rotação do eixo virabrequim...........

80

4.2.2.5. Levantamento da curva do Sensor de posição da palheta..........................

81

4.2.3.

Tratamento de sinais...................................................................................

82

4.2.3.1. Tratamento do sinal de pressão..................................................................

83

ix

4.2.3.2. Tratamento do sinal de temperatura...........................................................

84

4.2.3.3. Tratamento do sinal de posição da borboleta.............................................

86

4.2.3.4. Tratamento do sinal de rotação do virabrequim.........................................

88

4.2.3.5. Tratamento do sinal de posição da palheta do ressonador.........................

89

4.2.4.

Modelo do sistema de acionamento do ressonador....................................

89

4.2.4.1. Estimação de Parâmetros...........................................................................

91

4.2.4.2. Validação do modelo..................................................................................

96

4.2.5.

Projeto do Controlador...............................................................................

98

4.3.

Metodologia dos testes em Banco de Fluxo e dinamômetro de

106

bancada.......................................................................................................

4.3.1.

Metodologia dos testes em Banco de Fluxo...............................................

106

4.3.1.1. Procedimentos para os testes em Banco de Fluxo......................................

108

4.3.1.2. Determinação das dimensões do conduto de admissão de tubo reto..........

109

4.3.1.3. Influência da abertura e fechamento das válvulas no comportamento da

111

onda de pressão..........................................................................................

4.3.1.4. Influência do movimento das válvulas e dos pistões na onda de pressão

113

no conduto reto de admissão para o motor funcionando com um

cilindro.......................................................................................................

4.3.1.5. Influência da posição do ressonador na onda de pressão no conduto reto

115

de admissão................................................................................................

4.3.1.6. Estudo da influência da geometria do ressonador......................................

117

4.3.1.7. Estudo do sistema de admissão completo sem o ressonador.....................

118

4.3.1.8. Estudo da vazão com a inserção do ressonador de volume variável..........

123

4.3.2.

Metodologia experimental dos testes em Dinamômetro de Bancada........

125

4.3.2.1. Metodologias utilizadas nos pré-testes realizados no dinamômetro da

128

PUC Minas.................................................................................................

4.3.2.2. Metodologia utilizada nos testes em dinamômetro elétrico da FPT..........

131

5.

Resultados e análises..................................................................................

136

5.1.

Introdução...................................................................................................

136

5.2.

Testes realizados no Banco de Fluxo.........................................................

136

5.2.1.

Resultados do comportamento da vazão de ar...........................................

136

5.2.2.

Resultado do comportamento da onda de pressão gerada no conduto de

138

admissão pelo movimento da válvula de admissão (configuração

cabeçote).....................................................................................................

5.2.3.

Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

140

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com

motor monocilindro....................................................................................

5.2.4.

Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

142

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com a

presença do ressonador de volume variável...............................................

5.2.5.

Resultados do comportamento da vazão mássica considerando a

147

influência do movimento das quatro válvulas de admissão e do

ressonador em um sistema de admissão completo.....................................

5.3.

Testes realizados no dinamômetro de bancada..........................................

151

5.3.1.

Introdução..................................................................................................

151

5.3.2.

Testes realizados no dinamômetro da FPT Powertrain Tecnologies.........

151

5.3.3.

Resultados de Torque, Potência e Consumo Específico em função da

165

variação do volume do ressonador.............................................................

5.3.4.

Análise do desempenho do motor em função do volume do ressonador

185

para toda a faixa de operação.....................................................................

x

5.3.5.

Considerações finais...................................................................................

187

6.

CONCLUSÕES..........................................................................................

189

7.

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.....................................

192

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………..

194

Anexo A1...................................................................................................................

210

Modelo das tabelas para aquisição de dados..............................................

210

A.1.

Modelo das tabelas para aquisição de dados no banco de fluxo................

211

Anexo A2...................................................................................................................

212

A.2.

Modelo das tabelas para aquisição de dados no dinamômetro de bancada

212

Anexo B.....................................................................................................................

215

Modelo da tela de interface do controle eletrônico aplicado ao

215

ressonador de palheta................................................................................

Tela de interface do controle eletrônico do ressonador implementado

216

Apêndice I..................................................................................................................

217

I.1

Análise de incerteza dos dados obtidos no Banco de Fluxo......................

217

I.1.1.

Incerteza para a medição de vazão.............................................................

217

I.1.2.

Incerteza para a medição de pressão..........................................................

217

I.2.

Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da PUC Minas

218

I.2.1.

Incerteza para a medição de força..............................................................

218

I.2.2.

Incerteza para a medição de rotação..........................................................

219

I.2.3.

Incerteza do raio do dinamômetro..............................................................

219

I.2.4.

Incerteza para a medição de torque............................................................

219

I.2.5.

Incerteza para a medição de potência.........................................................

220

I.2.6.

Incerteza para a medição de consumo específico.......................................

221

I.3.

Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da FPT..............

223

I.3.1.

Incerteza para a medição de torque............................................................

224

I.3.2.

Incerteza para a medição de potência.........................................................

224

I.3.3.

Incerteza para a medição de pressão média efetiva....................................

225

I.3.4.

Incerteza para a medição do consumo específico de combustível.............

226

Apêndice II................................................................................................................

II.1.

Resultados da validação do controle do ressonador eletrônico de volume

227

variável.......................................................................................................

II.2.

Respostas do ressonador eletrônico aos experimentos estáticos e

dinâmicos no Banco de Fluxo....................................................................

231

Apêndice III...............................................................................................................

III.

Resultados dos testes realizados no dinamômetro da PUC Minas.............

235

xi

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1

Onda de pressão em função da posição.........................................

10

FIGURA 3.2

Pressão na admissão versus ângulo de movimento do pistão........

11

FIGURA 3.3

Esquema de um pulso de pressão inicial e refletido......................

12

FIGURA 3.4

Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função

do tempo para uma rotação do eixo comando de válvulas de 200

rev/min (Pereira, 2004)..................................................................

14

FIGURA 3.5

Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função

do ângulo do eixo comando de válvula para um ciclo do motor

(Pereira, 2004)................................................................................

15

FIGURA 3.6

Influência da geometria e do diâmetro da seção reta do conduto

de admissão no rendimento volumétrico do motor (Heisler,

1995)..............................................................................................

16

FIGURA 3.7

Influência do comprimento do conduto de admissão no

rendimento volumétrico do motor (Heisler, 1995)........................

17

FIGURA 3.8

Rendimento volumétrico versus rotação do motor (Heisler,

1995)..............................................................................................

18

FIGURA 3.9

Efeitos do comprimento do conduto na eficiência volumétrica

em um motor Jaguar.......................................................................

19

FIGURA 3.10 Motor dois cilindros, horizontal, quatro tempos com coletor de

admissão adaptado (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)..........

20

FIGURA 3.11 Curva de torque em função dos comprimentos do conduto de

admissão (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)..........................

20

FIGURA 3.12 Curvas de torque (No) e potência (Mo) do motor adaptado para o

diversos comprimentos do conduto de admissão (Nowakowski e

Sobieszczanski, 1999)....................................................................

21

FIGURA 3.13 Influência do comprimento do coletor na eficiência volumétrica

(Paffrath et al, 1999)......................................................................

24

FIGURA 3.14 Modelo de um sistema de admissão com comprimento variável

(Paffrath et al, 1999)......................................................................

24

FIGURA 3.15 Influência do ponto de inserção da borboleta na eficiência

volumétrica em novas tecnologias de sistemas de admissão

(Paffrath et al, 1999)......................................................................

25

FIGURA 3.16 Diagrama P versus V dentro do cilindro demonstra uma

minimização das perdas de bombeando com o sistema de

admissão sem borboleta (Ashhab et al,1998)................................

27

FIGURA 3.17 Ressonador de Helmholtz..............................................................

28

FIGURA 3.18 Rendimento Volumétrico versus Rotação do Motor (Heywood,

1998)..............................................................................................

30

FIGURA 3.19 Protótipo do conduto de admissão com o ressonador (Selamet et

al, 2001).........................................................................................

32

FIGURA 3.20 Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação

do motor de 1780 rev/min, (a) posição 92, (b) posição 93 e (c)

posição 91 (Selamet et al, 2001)....................................................

33

FIGURA 3.21 Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação

do motor de 1780 rev/min, (a) posição 81, (b) posição 86 e (c)

posição 72 (Selamet et al, 2001)....................................................

34

FIGURA 3.22 Efeito do Ajuste dos Pulsos de Pressão (Ohata et al, 1982)..........

38

xii

FIGURA 3.23 Efeito da simetria do conduto nos Pulsos de Pressão (Paffrath et

al, 1999).........................................................................................

40

FIGURA 3.24 Ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006).................................................................

41

FIGURA 3.25 Resposta do ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006).................................................................

42

FIGURA 3.26 Parâmetros geométricos da seção avaliada por Hemón et al,

2004................................................................................................

42

FIGURA 3.27 Circuito equivalente da máquina cc...............................................

44

FIGURA 3.28 Modelo mecânico do conjugado de um motor cc conectado

a uma carga inercial via um conjunto de engrenagens..................

46

FIGURA 3.29 Conversor cc-cc ponte completa....................................................

48

FIGURA 3.30 Formas de onda de vo....................................................................

49

FIGURA 3.31 Formas de onda de vo considerando 3 períodos T..........................

50

FIGURA 3.32 Efeito do tempo morto...................................................................

51

FIGURA 3.33 Efeito do tempo morto (gráfico)....................................................

53

FIGURA 3.34 Filtro passa-baixas parâmetros de projeto......................................

55

FIGURA 3.35 Circulo de raio rB no plano s.........................................................

55

FIGURA 3.36 Topologia Sallen-key.....................................................................

58

FIGURA 3.37 Estágio de primeira ordem de um filtro passa-baixas....................

60

FIGURA 3.38 Divisor de tensão aplicado à saída de um filtro.............................

61

FIGURA 3.39 Controle de ruído semi-ativo para tubos de escapamento

(Pacheco, 2006)..............................................................................

62

FIGURA 3.40 Protótipo de uma borboleta ou uma palheta (Vaculik, 2001)........

63

FIGURA 3.41 Princípio de funcionamento do sistema magnético.......................

63

FIGURA 4.1

Modelo do ressonador de pistão....................................................

67

FIGURA 4.2

Foto do ressonador de pistão com o suporte de fixação................

68

FIGURA 4.3

Modelo do ressonador de palheta..................................................

69

FIGURA 4.4

Esquema do ressonador de palheta acoplado ao conduto de

admissão do motor.........................................................................

70

FIGURA 4.5

Foto da parte superior do ressonador de palheta............................

70

FIGURA 4.6

Foto da parte externa e inferior do ressonador de palheta.............

71

FIGURA 4.7

Modelo do ressonador de palheta com o motor cc incorporado

ao sistema de redução....................................................................

72

FIGURA 4.8

Diagrama de blocos do funcionamento do controlador DSP.........

73

FIGURA 4.9

Esquema do sistema de controle com o ressonador de palheta.....

74

FIGURA 4.10 Levantamento dos dados de pressão realizado com o sensor

CMD em bancada..........................................................................

75

FIGURA 4.11 Resposta estática do sensor de pressão com motor em marcha

lenta................................................................................................

76

FIGURA 4.12 Resposta estática do sensor de pressão para as demais condições

de operação do motor.....................................................................

77

FIGURA 4.13 Levantamento dos dados de temperatura realizado com o sensor

CMD em bancada..........................................................................

78

FIGURA 4.14 Resposta estática do sensor de temperatura...................................

78

FIGURA 4.15 Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta...........

79

FIGURA 4.16 Resposta estática do sensor de posição da borboleta.....................

80

FIGURA 4.17 Resposta estática do sensor CKP...................................................

81

FIGURA 4.18 Resposta estática do potenciômetro de posição da palheta............

82

FIGURA 4.19 Diagrama do circuito do filtro........................................................

84

xiii

FIGURA 4.20 Diagrama do circuito do filtro........................................................

86

FIGURA 4.21 Diagrama do circuito do filtro........................................................

88

FIGURA 4.22 Representação da contagem de períodos de clock de um sinal em

forma de onda quadrada.................................................................

88

FIGURA 4.23 Conjunto de engrenagens do sistema de redução..........................

90

FIGURA 4.24 Resultado do ensaio de estimação de Ra.......................................

92

FIGURA 4.25 Resultado do ensaio de estimação de Kv.......................................

93

FIGURA 4.26 Curva de desaceleração do motor cc..............................................

94

FIGURA 4.27 Curva de desaceleração sem filtro.................................................

95

FIGURA 4.28 Curva de desaceleração filtrada.....................................................

96

FIGURA 4.29 Esquema do modelo simplificado do sistema................................

97

FIGURA 4.30 Resposta do modelo validado........................................................

98

FIGURA 4.31 Diagrama de blocos do sistema em malha fechada.......................

99

FIGURA 4.32 Os pólos de malha aberta e o pólo desejado..................................

100

FIGURA 4.33 Relação de ângulos do lugar das raízes..........................................

100

FIGURA 4.34 Segmentos de reta da condição de módulo do lugar das raízes.....

101

FIGURA 4.35 Resposta do sistema para z = -0,9822............................................

101

FIGURA 4.36 Posição do zero do sistema em relação ao pólo real......................

102

FIGURA 4.37 Resposta do sistema para z = -0,0021............................................

104

FIGURA 4.38 Modelo simplificado do DSP.........................................................

105

FIGURA 4.39 Modelo do DSP implementado......................................................

105

FIGURA 4.40 Resposta do modelo do sistema em malha fechada ao degrau de

entrada............................................................................................

106

FIGURA 4.41 Fotografia mostrando uma vista geral do banco de fluxo..............

107

FIGURA 4.42 Esquema geral do banco de fluxo..................................................

108

FIGURA 4.43 Variação da temperatura em função do tempo na realização de

um teste experimental no banco de fluxo......................................

109

FIGURA 4.44 Foto da configuração cabeçote acionado pelo motor elétrico

(sistema de referência)...................................................................

111

FIGURA 4.45 Esquema da bancada considerando apenas a influência das

válvulas..........................................................................................

112

FIGURA 4.46 Esquema da instalação e distribuição dos sensores.......................

113

FIGURA 4.47 Foto da configuração motor acionado pelo motor elétrico............

114

FIGURA 4.48 Esquema da montagem do motor no banco de fluxo.....................

114

FIGURA 4.49 Detalhe do acoplamento do motor elétrico ao motor de

combustão interna..........................................................................

115

FIGURA 4.50 Ressonador de Helmholtz no tubo reto..........................................

116

FIGURA 4.51 Posicionamento do Ressonador e detalhes do tubo linear de

admissão.........................................................................................

116

FIGURA 4.52 Modelo dos três ressonadores de geometrias diferentes................

117

FIGURA 4.53 Modelo do coletor de admissão com o cabeçote do motor............

119

FIGURA 4.54 Desenho da linha de centro da entrada da válvula ao plenum do

coletor de admissão e os diâmetro médio em secções

eqüidistantes ao longo do duto.......................................................

120

FIGURA 4.55 Modelo do conduto e a linha de centro da borboleta a mangueira

flexível...........................................................................................

121

FIGURA 4.56 Modelo da mangueira flexível e a linha de centro do conduto ao

filtro de ar.......................................................................................

121

FIGURA 4.57 Modelo do filtro de ar....................................................................

122

FIGURA 4.58 Modelo e a linha média do duto de entrada do filtro de ar............

122

xiv

FIGURA 4.59 Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo com o sistema de

admissão original...........................................................................

123

FIGURA 4.60 Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo com o sistema de

admissão original e a inserção do ressonador de palheta...............

124

FIGURA 4.61 Posição da instalação do transdutor de pressão no conduto de

admissão.........................................................................................

125

FIGURA 4.62 Motor 1368 cm3 preparado sobre a estrutura para ser acoplado

ao dinamômetro.............................................................................

126

FIGURA 4.63 Montagem do motor no dinamômetro hidráulico – PUC Minas...

127

FIGURA 4.64 Montagem do motor no dinamômetro elétrico – FPT...................

127

FIGURA 4.65 Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm3 e

ressonador com pescoço de 560 mm de comprimento..................

129

FIGURA 4.66 Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm3 e

ressonador com pescoço de 170 mm de comprimento..................

130

FIGURA 4.67 Posicionamento do pescoço do ressonador e do sensor de

pressão no conduto de admissão....................................................

130

FIGURA 4.68 Posicionamento do sensor de pressão no interior do ressonador...

131

FIGURA 4.69 Diagrama de válvula do motor VVT 0..........................................

132

FIGURA 4.70 Local de inserção do ressonador no conduto de admissão............

133

FIGURA 4.71 Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de

admissão.........................................................................................

134

FIGURA 4.72 Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de

admissão.........................................................................................

134

FIGURA 4.73 Montagem do motor com a inserção do ressonador no plenum

do coletor de admissão no dinamômetro.......................................

135

FIGURA 5.1

Comportamento da vazão obtida em Banco de Fluxo em função

da rotação do eixo comando de válvulas para os quatro

experimentos realizados.................................................................

138

FIGURA 5.2

Variação da pressão com o ângulo do eixo comando de válvulas

para uma rotação de 1200 rev/min para a configuração cabeçote

139

FIGURA 5.3

Variação da pressão com o ângulo do eixo comando de válvulas

para uma rotação de 1600 rev/min para a configuração cabeçote

139

FIGURA 5.4

Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para o motor completo com duto reto montado no

Banco de Fluxo..............................................................................

140

FIGURA 5.5

Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo

comando de válvulas para uma rotação de 1200 rev/min para a

configuração motor........................................................................

141

FIGURA 5.6

Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo

comando de válvulas para uma rotação de 1600 rev/min para a

configuração motor........................................................................

142

FIGURA 5.7

Comportamento da vazão sem e com o ressonador para as quatro

posições do conduto de admissão em função da rotação do eixo

comando de válvulas......................................................................

143

FIGURA 5.8

Comportamento da vazão sem e com o ressonador para a

posição de máxima vazão em função da rotação do eixo

comando de válvulas......................................................................

144

FIGURA 5.9

Pressão no interior do ressonador para as rotações de 400, 600 e

1200 rev/min do eixo comando de válvulas..................................

145

xv

FIGURA 5.10 Pressão no interior do cilindro para as quatro posições do

ressonador e para a configuração motor com duto reto e sem

ressonador para a rotação de 1200 rev/min....................................

146

FIGURA 5.11 Análise Espectral da Pressão no interior do Cilindro com e sem

o ressonador, motor com conduto reto nas quatro posições..........

147

FIGURA 5.12 Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para a configuração cabeçote com sistema de admissão

completo montado no Banco de Fluxo..........................................

148

FIGURA 5.13 Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para os cinco volumes do ressonador testados para o

sistema de admissão completo.......................................................

149

FIGURA 5.14 Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para a máxima vazão obtidas para o sistema de

Admissão completo sem ressonador e ressonador com volume

de 3,53 litros...................................................................................

150

FIGURA 5.15 Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para as diversas geometrias do volume do ressonador

para o sistema de admissão completo............................................

150

FIGURA 5.16 Torque de referência em função da rotação do motor para toda a

faixa de operação (VVT 0)............................................................

152

FIGURA 5.17 Torque em função da rotação do para a configuração original

para os motores FIRE 1242 cm3 e 1368 cm3.................................

153

FIGURA 5.18 Torque em função da rotação do motor para o ressonador no

conduto de admissão......................................................................

154

FIGURA 5.19 Torque em função da rotação do motor para o ressonador no

coletor de admissão........................................................................

154

FIGURA 5.20 Potência de referência em função da rotação do motor para toda

a faixa de operação.........................................................................

155

FIGURA 5.21 Potência em função da rotação do motor para o ressonador no

conduto de admissão......................................................................

156

FIGURA 5.22 Potência em função da rotação do motor para o ressonador no

coletor de admissão........................................................................

156

FIGURA 5.23 Consumo específico de referência em função da rotação do

motor para toda a faixa de operação..............................................

157

FIGURA 5.24 Consumo específico em função da rotação do motor para o

ressonador no conduto de admissão...............................................

158

FIGURA 5.25 Consumo específico em função da rotação do motor para o

ressonador no coletor de admissão................................................

159

FIGURA 5.26 Pressão média efetiva em função da rotação do motor para o

ressonador no conduto de admissão...............................................

160

FIGURA 5.27 Pressão média efetiva em função da rotação do motor para o

ressonador no coletor de admissão................................................

160

FIGURA 5.28 Fator lambda otimizado pelo torque em função da rotação do

motor para o ressonador no conduto de admissão.........................

161

FIGURA 5.29 Fator lambda otimizado pelo troque em função da rotação do

motor para o ressonador no coletor de admissão...........................

161

FIGURA 5.30 Temperatura no catalisador em função da rotação do motor.........

162

FIGURA 5.31 Avanço de ignição em função da rotação do motor.......................

163

FIGURA 5.32 Pressão no coletor de admissão em função da rotação do motor...

164

FIGURA 5.33 Pressão no coletor de descarga em função da rotação do motor....

164

xvi

FIGURA 5.34 Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações analisadas com rotação de 2000 rev/min................

165

FIGURA 5.35 Pressão do sistema sem ressonador em função do tempo..............

166

FIGURA 5.36 Pressão do sistema em função do tempo........................................

167

FIGURA 5.37 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88

litros...............................................................................................

168

FIGURA 5.38 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65

litros...............................................................................................

169

FIGURA 5.39 Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min...............

170

FIGURA 5.40 Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min......

170

FIGURA 5.41 Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas e uma rotação de 2500 rev/min...............

171

FIGURA 5.42 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 4,42

litros...............................................................................................

172

FIGURA 5.43 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 0,88

litros...............................................................................................

172

FIGURA 5.44 Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min.........

173

FIGURA 5.45 Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min

174

FIGURA 5.46 Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min.........

174

FIGURA 5.47 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 1,77

litros...............................................................................................

175

FIGURA 5.48 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65

litros...............................................................................................

176

FIGURA 5.49 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 3,53

litros...............................................................................................

176

FIGURA 5.50 Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min.........

177

FIGURA 5.51 Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min

178

FIGURA 5.52 Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min.........

178

FIGURA 5.53 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88

litros...............................................................................................

179

FIGURA 5.54 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 1,77

litros...............................................................................................

180

xvii

FIGURA 5.55 Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min.........

181

FIGURA 5.56 Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min

181

FIGURA 5.57 Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min.........

182

FIGURA 5.58 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500

rev/min em função do tempo – ressonador com 4,42 litros...........

183

FIGURA 5.59 Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500

rev/min em função do tempo – ressonador com 2,65 litros...........

183

FIGURA 5.60 Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min.........

184

FIGURA 5.61 Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min

185

FIGURA 5.62 Ganho em torque com a inserção do ressonador de volume

variável...........................................................................................

186

FIGURA 5.63 Ganho em potência com a inserção do ressonador de volume

variável...........................................................................................

186

FIGURA 5.64 Ganho em consumo específico com a inserção do ressonador de

volume variável..............................................................................

187

xviii

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1

Estados possíveis para as chaves do conversor.............................

49

TABELA 4.1

Dimensões construtivas do ressonador de pistão..........................

67

TABELA 4.2

Volumes relativos ao curso aplicado............................................

68

TABELA 4.3

Dimensões construtivas do ressonador de palheta........................

71

TABELA 4.4

Volumes relativos ao ângulo aplicado no ressonador de palheta

71

TABELA 4.5

Dados do ensaio de desaceleração................................................

94

TABELA 4.6

Valores comparativos - estabelecido x encontrado.......................

103

TABELA 4.7

Freqüências de Ressonância para o Conduto, Fechado na

Extremidade..................................................................................

110

TABELA 4.8

Freqüências de Ressonância para o Conduto, Aberto na

Extremidade..................................................................................

110

TABELA 4.9

Variação da freqüência de ressonância.........................................

119

TABELA 5.1

Características dos testes realizados no Banco de Fluxo..............

137

TABELA 5.2

Variação do volume do ressonador de pistão................................

153

xix

SIMBOLOGIA

AD - Analógico/Digital

ADC - Conversor Analógico Digital (analogic digital converter)

ANP - Agência Nacional do Petróleo

APMS - Graus antes do ponto morto superior

A/F - Razão mássica ar-combustível

b - Coeficiente de Atrito Viscoso

c - Velocidade de propagação do som no ar

cc - Corrente Contínua

CCS - Code Composer Studio

CI - Ignição por compressão

CKP - Crank shaft position

CMD - Conjunto medidor de densidade

DPMS - Depois do ponto morto superior

DSP - Processador de Sinal Digital (Digital Signal Processor)

E25 - Gasolina brasileira com a adição de 25% de álcool etílico anidro

ECU - Unidade de central eletrônica

EVC - Válvula de descarga fechada, do inglês exhaust valve closed

EVO - Válvula de descarga aberta, do inglês exhaust valve open

f - Força

FFT - Transformada rápida de Fourier

FPT - Fiat Powertrain

FIAT - Do italiano, Fabbrica Italiana di Automobili Torino

FIRE - Do inglês, Fully Integrated Robotized Engine

GNV - Gás natural veicular

h - altura

HC – Hidrocarboneto

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition

HP - Do inglês, Horse Power

I – Corrente elétrica

ICE - Ignição por centelha

ICO - Ignição por compressão

IVC - Válvula de admissão fechada, do inglês intake valve closed

xx

IVO - Válvula de admissão aberta, do inglês intake valve open

J - Momento de Inércia

l - Comprimento

L - Indutância Elétrica

LDI - Limite de detonação inferior

m - Conjugado (torque)

M - Massa

MAP - Pressão absoluta no coletor de admissão, do inglês Mainfold absolute pressure

MBT - Máximo torque, ou menor ângulo de avanço para o máximo torque

MCI – Motor de combustão interna

MIPS - Milhões de instruções por segundo

N - Freqüência de rotação do motor (rev/min)

NTC - Coeficiente de temperatura negativo

OPEP - Organização dos Países Exportadores do Petróleo

p - Pressão

P - Potência

PD - Proporcional e derivativo

PI – Proporcional Integral

PID - Proporcional, integral e derivativo

PME - Pressão média efetiva

PMI - Ponto morto inferior

PMS - Ponto morto superior

PWM – Pulse width module

r - raio

R - Resistência Elétrica

SFC - Consumo específico de combustível

SI - Ignição por centelha

t - Tempo

T - Temperatura

TPS - Sensor de posição da borboleta, do inglês throttle position sensor

V - Tensão - Volts

VVT - Variable Valve Timing

Z - Impedância Elétrica ou Acústica

ω - Velocidade angular

xxi

WOT - Ângulo de abertura máximo da borboleta, do inglês wide open throttle

∆P - Delta de pressão entre porta da válvula e o conduto de admissão

ρ - massa específica

θ - Posição angular

θ - Ângulo de fase entre pressões

θp - Deslocamento angular do pistão (graus)

1.

INTRODUÇÃO

1.1.

Aspectos Gerais

Devido ao crescimento da indústria automotiva no Brasil e da comercialização de automóveis

com motores de combustão interna multicombustíveis (sistemas Flex Fuel), identificou-se

uma necessidade contínua de estudos com relação ao desempenho desses motores.

Atualmente estão sendo propostas diversas alternativas de melhoria em seu desempenho,

sendo principalmente analisados turbo-compressores, sobre-alimentadores, injeção direta de

combustível, comando variável das válvulas, otimização da taxa de compressão e a

compactação do conjunto motopropulsor, entre outros, na tentativa de atingir uma otimização

do desempenho em regimes de cargas intermediárias. Os motores de combustão interna de

baixa cilindrada representam a maioria dos veículos comercializados no Brasil (em torno de

70% dos veículos fabricados pela Fiat Automóveis S/A possuem motores com cilindrada

inferior 1400 cm3) sendo suas principais vantagens a combinação de alta potência com baixo

consumo de combustível, a um custo comercial.

No mercado atual existem poucos veículos disponíveis que utilizam algum tipo de dispositivo

mecânico ou eletrônico de modo a permitir variação da eficiência volumétrica nos condutos

de admissão. Contudo, vários conceitos estão sendo testados nos condutos de admissão e

comando de válvulas para melhoria do enchimento do cilindro, visando o projeto de novos

coletores que maximizem a condução de ar para o interior do cilindro.

Muitas das inovações tecnológicas aplicadas em veículos de competição foram transferidas

para a produção seriada, que possui configurações e potências específicas inferiores. Com a

possibilidade de aumentar a eficiência volumétrica dos motores de ignição por centelha,

foram analisadas modificações nas características geométricas e de operação do coletor de

admissão. Considerações a respeito de metodologia de análise, testes experimentais e

numéricos e teorias de controle para sistemas dinâmicos são analisadas neste trabalho.

INTRODUÇÃO

2

1.2.

Estado da Arte

No estudo de eficiência volumétrica de motores de combustão interna podem-se seguir várias

metodologias de pesquisa científica para se obter sua maximização. Estas metodologias

podem ser aplicadas ao sistema de admissão, às válvulas de admissão e ao sistema de

acionamento, ao controle das fases das válvulas e ao sistema de descarga.

Os estudos aplicados ao sistema de admissão podem ser avaliados com ênfase na dinâmica do

escoamento, nas trocas de calor ou acústica, ou simplesmente em seus acessórios

separadamente, como filtro de ar, condutos e coletores de admissão, borboleta e ressonadores

(Paffrath et al, 1990).

A partir da década de 1970, vários estudos para melhoramento de sistemas de admissão foram

avaliados, envolvendo tanto a redução do nível de ruído quanto a indução de uma maior

quantidade mássica de ar (Panton e Miller, 1975 e Brads, 1979). Kinler et al, 1980,

Monkewitz e Nguyen, 1985, Selamet, 1995, Selamet e Radavich, 1995, Hanriot, 2001,

Selamet et al 2001, Liu et al, 2003, Hémon et al, 2004, Oshkai et al, 2005 , Rodrígues et al,

2006, Pereira et al, 2007 avaliam respostas dinâmicas de ressonadores inseridos no conduto

de admissão por meio de metodologias numéricas e experimentais. Ohata e Ishida, 1982,

Fukutani e Watanabe, 1982, Bicen et al, 1985, Arcoumanis et al, 1987, Winterbone et al,

1989 e 1990, Peter e Gosman, 1993, Boretti e Cantori, 1996, Gasparetti et al, 1996, Gindele et

al, 1997, Benajes et al, 1997, Bauer et al, 1998, Hanriot et al, 1999, Pearson et al, 1999,

Belmabrouk e Michard, 2001, Pereira et al, 2003, Rodrígues et al, 2006, consideram a

dinâmica do escoamento, avaliando as ondas de pressão através de modelos físicos e

matemáticos em análise numéricas e experimentais.

Na utilização do controle de acionamento e fase das válvulas para maximizar a eficiência

volumétrica, Dresner e Barkan, 1989, Hara et al, 2000, Pierik e Burkhard, 2000, Jankovic e

Magner, 2001, e Schirm, 2003, apresentaram projetos de diferentes tipos de acionamentos

mecânicos. Seguidos pela mesma motivação Urata et al, 1993, e Lenz et al, 1989,

apresentaram sistemas de acionamento mecânico-hidráulico e Cunha et al, 2000 estudaram

um conceito alternativo de acionamento hidráulico das válvulas. Ashhab et al, 1998,

avaliaram as melhorias em eficiência do sistema de admissão, torque e redução de emissões

com o controle contínuo das válvulas para controle de carga, modelo desenvolvido para uma

INTRODUÇÃO

3

operação sem borboleta. Alguns motores de produção da BMW, Porsche, Honda e Toyota

cumprem esta crescente demanda por mais potência, maior economia de combustível e

emissões reduzidas. Poucos veículos disponíveis hoje no mercado brasileiro utilizam algum

tipo de acionamento mecânico que permite certa flexibilidade nos tempos de abertura das

válvulas de admissão e descarga, optando-se por alterações do diagrama de válvulas.

Avaliações acústicas foram realizadas por Seybert et al, 1985, Nishio et al, 1991, Dear e

Ingard, 1993, Kouston e Lin, 1994, Morel e Costello, 1994, Oliveira, 1998, Higashiyama e

Iwamoto, 1999, Doria, 2000, Endo et al, 2000, Kim e Lee, 2001, Selamet et al 2001. Para o

projeto e otimização do sistema de descarga, Shen et al, 1997, D’erric et al, 2000, Roselló et

al, 2002, Pinto e Pacheco, 2006, Siqueira et al, 2006, utilizam de métodos numéricos e

experimentais para maximizar a eficiência do processo de descarga.

Na década de 1970, no Brasil, o álcool etílico aparecia como opção de combustível alternativo

para os veículos automotores, sendo realizados, com o apoio do governo por meio do

Programa Nacional de Álcool, vários estudos em motores de combustão interna. Já na década

de 1980 o gás natural (GNV) também surgiu para minimizar novamente a alta e os efeitos da

crise do petróleo no mercado mundial. Diante da diversidade de combustível foi necessário o

desenvolvimento da tecnologia para motores flexíveis, sendo o motor capaz de operar

adequadamente com mais de um combustível. Estes estudos dos motores multicombustíveis

se iniciaram para aplicação militar e hoje são uma realidade no mercado brasileiro. A

Volkswagem, em 2003, lançou o primeiro automóvel flexível no Brasil e em 2004 a Fiat e

General Motors lançaram no mercado brasileiro veículos com esta tecnologia. Para avaliação

do desempenho dos motores multicombustíveis, Baêta, 2006, apresenta uma metodologia de

maximização do desempenho para os diversos combustíveis.

Alguns estudos foram realizados com o intuito de buscar alternativas para a fabricação do

mecanismo de variação e controle do volume do ressonador e realização de testes em banco

de fluxo e em dinamômetro de bancada. Estes trabalhos são mencionados na revisão

bibliográfica. Neste trabalho é projetado, construído e testado um ressonador de volume

variável e analisado o seu comportamento em banco de fluxo e dinamômetro de bancada,