MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ANLISE NUMRICA E EXPERIMENTAL DO ESCOAMENTO EM MOTORES

DE COMBUSTO INTERNA

por

Charles Rech

Tese para obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia

Porto Alegre, setembro 2010.

ii

ANLISE NUMRICA E EXPERIMENTAL DO ESCOAMENTO EM MOTORES DE

COMBUSTO INTERNA

por

Charles Rech

MSc. Eng. Mecnico

Tese submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, da Escola

de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia Mecnica

rea de Concentrao: Fenmenos de Transporte

Orientador: Prof. Dr. Horcio Antnio Vielmo

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr. Ramon Molina Valle, PPGMEC/UFMG

Prof. Dr. Cesar J. Deschamps, POSMEC/UFSC

. Prof. Dr. Amir Antnio M. de Oliveira Jr, POSMEC/UFSC

Prof. Dr. Francis H. R. Frana, PROMEC/UFRGS

Prof. Dr. Horcio A. Vielmo

Coordenador do PROMEC

Porto Alegre, setembro 2010

iii

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todas as pessoas que contriburam de maneira direta e indireta

para a elaborao deste documento, sendo que dentre elas gostaria de ressaltar:

A minha filha Vivian por ter convivido com o dilema depois de julho e que depois

se estendeu at setembro;

Ao orientador o Prof. Dr. Horcio A. Vielmo, por toda sua dedicao e compreenso,

pelos desafios e pelo estmulo e exigncia crescente ao longo do trabalho;

Ao Fabiano D. Wildner por sua dedicao contnua na montagem do sistema de

medio no laboratrio de motores na parte experimental;

Ao Flvio Zancanaro Jr. por encarar junto o desfio de desenhar e gerar o modelo

numrico para a simulao a partir do cabeote do motor CFR;

Ao Carlos Falco pelas discusses referentes ao passo de tempo em relao ao tempo.

Ao Luciano Xavier, que representa a PID e disponibilizou tempo, equipamentos e

espao fsico para calibrao dos instrumentos de medio;

Ao Diocles Dalvia e ao Dinarte Santos que representam o laboratrio de motores da

Refap Canoas, e disponibilizaram tempo para discusses pertinentes aos resultados obtidos

numericamente e experimentalmente no motor CFR;

Ao Rodolfo Gutierres de Almeida e Claudio Landim pela ajuda na montagem e

verificao do tempo de resposta dos sensores;

Aos professores e alunos da Engenharia Automotiva da Ulbra pelo apoio e

compreenso.

Bia pelo incentivo em momentos decisivos;

Nbia pelo longo caminho dedicado junto aos estudos.

A todos os professores do departamento que ajudaram e acompanharam o

desenvolvimento do trabalho;

banca que sugeriu e contribuiu para a melhoria do trabalho;

Ao Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica desta Universidade por todo

apoio e por disponibilizar um ambiente adequado para realizao deste trabalho.

A Capes que me contemplou com bolsa parcial de estudos;

Ao CESUP/UFRGS por disponibilizar o recurso computacional;

E por fim a minha persistncia.

iv

RESUMO O objetivo do trabalho o desenvolvimento e a validao de metodologias para simular o

comportamento dinmico do escoamento e da transferncia de calor em motores de

combusto interna. O trabalho est dividido em duas partes. Na primeira parte, para

caracterizar o sistema de admisso de motores de combusto interna, foi fixada a presso na

descarga em diferentes aberturas de vlvulas em regime permanente. As anlises foram

realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numricos foram obtidos utilizando o

cdigo comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O

escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k- e k- RNG,

com aproximao de alto Reynolds e tratamento padro nas regies prximas s paredes. O

estudo da independncia de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com

subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi

realizada uma anlise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de

descarga com a utilizao de tratamento hbrido e padro nas zonas prximas s paredes.

Como resultado, obteve-se boa concordncia entre essas formas. Na segunda parte, feita

uma anlise do escoamento transiente na admisso e no interior do cilindro em um motor

padro CFR. O motor foi tracionado com um motor eltrico a 200 rpm sem combusto. Neste,

foram empregadas solues numricas com a utilizao do cdigo comercial em volumes

finitos StarCD es-ice, com malha mvel hexadrica. Os resultados experimentais do

coeficiente de descarga, presso e temperatura foram comparados durante o ciclo. O

escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k- SST, com

aproximao de baixo Reynols e tratamento hbrido nas regies prximas s paredes. O

estudo da independncia de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na mxima

velocidade do mbolo a 75 graus aps o ponto morto superior do ciclo de admisso. Os

resultados revelaram a formao de swirl, tumble e cross-tumble e a evoluo destes durante o

ciclo, como uma informao importante para o desenho da geometria dos coletores de

admisso e de escape nos motores de combusto interna. Foi detectada a presena de

recirculaes nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados.

Palavras-chave: movimento do ar em ICE, malha mvel, simulao numrica e experimental, modelos de turbulncia.

v

ABSTRACT The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the

flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by

two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated

considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve

lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3

commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding

the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-, in its High-

Reynolds approach and k- RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study

was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an

extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made

considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid

treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the

present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder

of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no

combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in

this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes

CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with

experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder.

Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-

SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh

independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston

velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl,

tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal

combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is

detected and discussed in detail.

Keywords: gas motion in the ICE, moving mesh, numerical and experimental simulation, turbulence models.

vi

SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................................................. 1

1.1 CONSIDERAES INICIAIS ............................................................................................ 1

1.2 OBJETIVO DO TRABALHO ............................................................................................. 3

1.3 ORGANIZAO DO TRABALHO ..................................................................................... 4

2 REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................................... 6

3 FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTO INTERNA ............................... 16

3.1 PROCESSO DE TROCA DE GASES................................................................................. 17

3.2 MOVIMENTO DA CARGA NO CILINDRO ...................................................................... 19

3.2.1 Razo de Swirl (RS) ........................................................................................... 21

3.2.2 Razo de Tumble (RT) ....................................................................................... 22

3.2.3 Razo de Cross-Tumble (RCT) ........................................................................... 22

3.3 COEFICIENTE DE DESCARGA ...................................................................................... 23

4 MODELAGEM DA TURBULNCIA ............................................................................ 24

4.1 ESCOAMENTO TURBULENTO ...................................................................................... 24

4.2 TRATAMENTO ESTATSTICO DA TURBULNCIA .......................................................... 24

4.3 DECOMPOSIO DE REYNOLDS .................................................................................. 25

4.4 CONSERVAO DE MASSA E DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO LINEAR ................... 26

4.5 CONSERVAO DE ENERGIA ...................................................................................... 28

4.6 A TURBULNCIA EM MOTORES DE COMBUSTO INTERNA......................................... 28

4.7 CLASSIFICAO DOS MODELOS DE TURBULNCIA .................................................... 29

4.8 MODELOS DE TURBULNCIA LINEAR ......................................................................... 30

4.8.1 Modelo k- ........................................................................................................ 32

4.8.2 Modelo k- RNG ............................................................................................... 33

4.8.3 Modelo k- SST ................................................................................................ 34

4.9 TRATAMENTO PRXIMO PAREDE ............................................................................ 37

4.9.1 Alto Nmero de Reynolds ................................................................................ 37

4.9.2 Baixo Nmero de Reynolds .............................................................................. 38

4.9.3 Condio de Contorno do Escoamento Turbulento .......................................... 39

vii

4.9.4 Condio de Contorno na Parede com Tratamento Padro - Aproximao de

Baixo Nmero de Reynolds .............................................................................................. 40

4.9.5 Condio de Contorno na Parede com Tratamento Hbrido ............................. 41

5 METODOLOGIA NUMRICA ....................................................................................... 43

5.1 MTODO DOS VOLUMES FINITOS ............................................................................... 43

5.2 ETAPAS DA SOLUO NUMRICA .............................................................................. 44

5.3 PROPRIEDADES DO MTODO NUMRICO .................................................................... 44

5.3.1 Consistncia ...................................................................................................... 44

5.3.2 Estabilidade ....................................................................................................... 44

5.3.3 Convergncia .................................................................................................... 45

5.4 ESQUEMA DE DISCRETIZAO NO ESPAO FUNES DE INTERPOLAES .............. 45

5.5 ESQUEMA DE DISCRETIZAO TEMPORAL ................................................................. 46

5.6 ACOPLAMENTO PRESSO-VELOCIDADE .................................................................... 46

5.7 CONDIES DE CONTORNO ........................................................................................ 47

6 ANLISE NUMRICA PRELIMINAR .......................................................................... 48

6.1 ANLISE EM REGIME PERMANENTE ........................................................................... 48

6.1.1 Dados Numricos .............................................................................................. 48

6.1.2 Validao da Simulao Numrica ................................................................... 50

6.1.3 Resultados para Outras Condies de Contorno Utilizando o Fluent e

Comparado com o Star-cd. ............................................................................................... 51

6.1.4 Resultados Computacionais das Caractersticas do Escoamento ..................... 53

6.1.5 Concluses em Regime Permanente ................................................................. 54

6.2 ANLISE REGIME TRANSIENTE .................................................................................. 55

7 ANLISE NUMRICA E EXPERIMENTAL ................................................................ 58

7.1 PROCEDIMENTO NUMRICO ....................................................................................... 58

7.1.1 Gerao da Geometria ...................................................................................... 58

7.1.2 Gerao da Malha ............................................................................................. 59

7.1.3 Condies de Contorno ..................................................................................... 60

7.1.4 Soluo Numrica ............................................................................................. 60

7.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................................ 61

7.2.1 Generalidades sobre o CFR .............................................................................. 62

7.2.2 Aquisio de Dados .......................................................................................... 63

viii

7.2.3 Medio da Rotao .......................................................................................... 63

7.2.4 Resposta Transiente dos Instrumentos de Medio .......................................... 63

7.2.5 Incerteza da Medio ........................................................................................ 65

7.2.6 Medio da Presso de Compresso ................................................................. 65

7.2.7 Medio da Temperatura no Interior do Cilindro. ............................................ 66

7.2.8 Medio da Vazo Mssica de Ar .................................................................... 69

7.2.9 Seleo da Posio do Medidor de Vazo MAF ............................................... 71

7.2.10 Medio da Abertura de Vlvulas..................................................................... 72

7.2.11 Determinao do Ponto Morto Superior Geomtrico ....................................... 73

7.2.12 Medio do Volume Morto da Cmara de Combusto .................................... 73

7.3 RESULTADOS E DISCUSSO .............................................................................. 74

7.3.1 Independncia de Malha ................................................................................... 74

7.3.2 Coeficiente de Descarga na Admisso .............................................................. 75

7.3.2.1 Campo de Velocidades na Posio de Mximo Cd na Admisso ................. 77

7.3.2.2 Campo de Presses na Posio de Mximo Cd na Admisso ....................... 77

7.3.2.3 Campo de Temperaturas na Posio de Mximo Cd na Admisso ............... 79

7.3.3 Presso Global no Interior do Cilindro ............................................................. 79

7.3.4 Temperatura Global no Interior do Cilindro ..................................................... 81

7.3.5 Razo de Swirl (RS) ........................................................................................... 82

7.3.5.1 Campo de Velocidades no ngulo de Mximo Swirl (18 DPMI) ............... 83

7.3.5.2 Campo de Presses e Temperaturas no ngulo de Mximo Swirl ............... 84

7.3.6 Razo de Tumble (RT) ....................................................................................... 85

7.3.6.1 Campo de Velocidades no ngulo de Mximo Tumble ............................... 86

7.3.6.2 Campo de Presses e de Temperatura no ngulo de Mxima Razo de

Tumble 87

7.3.7 Razo de Cross-Tumble (RCT) ........................................................................... 87

7.3.7.1 Campo de Velocidades no ngulo de Mximo Cross-Tumble .................... 88

7.3.7.2 Campo de Presses e Temperaturas no ngulo de Mximo Cross-Tumble . 89

7.3.8 Coeficiente de Descarga no Escape .................................................................. 89

7.3.9 Movimento da Massa de Ar Admitida .............................................................. 90

8 CONCLUSES E SUGESTES DE CONTINUIDADE ............................................... 91

ANEXO A ............................................................................................................................... 102

ix

ANEXO B ............................................................................................................................... 104

APNDICE A ......................................................................................................................... 106

APNDICE B ......................................................................................................................... 107

x

NDICE DE FIGURAS

Figura 3.1 - Sequncia de eventos em um motor de Ciclo Otto [Adaptado de Heywood, 1988]

.................................................................................................................................................. 17

Figura 3.2 - Vrtices dentro do cilindro durante a entrada. Fotografia das linhas obtidas com

gua em uma mquina modelo com axissimetria da vlvula [Heywood, 1988]. ..................... 20

Figura 3.3 - : a) Fotografia das linhas de corrente em um cilindro com escoamento em regime

permanente de gua, anlogo ao processo de admisso em um motor; b) Linhas em um plano

diametral; 30 mm abaixo da cabea do cilindro. Abertura de vlvula de 4 mm,

[Heywood, 1988] ...................................................................................................................... 21

Figura 3.4 - Turbilhonamento axial e radial da carga (swirl, tumble e cross-tumble) .............. 21

Figura 4.1 - Componentes da velocidade u bem como a mdia temporal e sua flutuao:

a) Escoamentos onde u no depende do tempo; b) Situao onde u depende do tempo

[adaptado de Bird et al., 2004] .................................................................................................. 25

Figura 4.2 - Ilustrao da clula prxima parede [Star-cd Methodology, 2009] ................... 41

Figura 6.1 - Malha no estruturada tetra-prisma ....................................................................... 49

Figura 6.2 a) Refinamento da malha para capturar os altos gradientes; b) Domnio

computacional. .......................................................................................................................... 49

Figura 6.3 - Vetor velocidade na seo A-A no coletor de admisso. ...................................... 53

Figura 6.4 - Vetor velocidade na seo B-B, na regio da sede da vlvula. ............................. 53

Figura 6.5 - Vetor velocidade na seo C_C, na regio da metade do corpo do cilindro. ........ 54

Figura 7.1 a) Desenho do cabeote do CFR; b) Cabeote do CFR com a aplicao do

silicone lquido; c) Geometria gerada a partir da moldagem e medies ................................. 59

Figura 7.2 - Malha hexadrica no estruturada ......................................................................... 60

Figura 7.3 - Diagrama do aparato experimental montado no motor CFR. ............................... 61

Figura 7.4 Posio da medio da temperatura e da presso no motor CFR ......................... 62

Figura 7.5 - CRF do Laboratrio de Motores do Departamento de Engenharia ...................... 63

Mecnica da UFRGS. ............................................................................................................... 63

xi

Figura 7.6 - Presso relativa no cilindro vs ngulo da rvore de manivelas; resultados de 30

medies, razo de compresso 6:1 e rotao de 200 rpm. ...................................................... 66

Figura 7.7 - Representao da temperatura no interior do cilindro vs ngulo da rvore de

manivelas; resultados de 30 medies em unidade de tenso eltrica, razo de compresso 6:1,

e rotao de 200 rpm. ................................................................................................................ 67

Figura 7.8 Resfriamento de termopares de 60 m e de 120 m de dimetro, ao ar, por

conveco natural e forada ...................................................................................................... 68

Figura 7.9 Resfriamento do termopar de 25 m de dimetro por conveco forada com ar

.................................................................................................................................................. 68

Figura 7.10 Representao da vazo mssica na admisso vs ngulo da rvore de manivelas:

resultados de 30 medies em unidade de tenso eltrica, razo de compresso 6:1, e rotao

de 200 rpm. ............................................................................................................................... 69

Figura 7.11 Esquema de montagem para medio da constante de tempo do sensor MAF .. 70

Figura 7.12 Sequncia de dados de 5 medies repetidas para determinao da constante de

tempo do MAF .......................................................................................................................... 71

Figura 7.13 - Configuraes de montagem do sistema de admisso do motor CFR. Razo de

compresso 6:1 e 200 rpm. Tubo PVC de 1 m de comprimento e dimetro interno de

65,3 mm. ................................................................................................................................... 72

Figura 7.14 - Medidas de abertura das vlvulas do motor CFR. .............................................. 73

Figura 7.15 - Coeficiente de descarga vs nmero de clulas a 75 aps incio da admisso. .. 75

Figura 7.16 - Resultados numrico, experimental e terico ideal do coeficiente de descarga e

abertura da vlvula em relao posio da rvore de manivelas durante a admisso. ........... 75

Figura 7.17 - Campo de velocidades em um corte longitudinal no centro do cilindro (plano X-

Z) a 75 DPMS da fase de admisso e velocidade do mbolo de 1,25 m/s. ............................. 77

Figura 7.18 - Campo de presses em um corte longitudinal no centro do cilindro (plano X-Z)

a 75 DPMS da fase de admisso e velocidade do mbolo de 1,25 m/s. .................................. 78

Figura 7.19 - Campo de presses em detalhe sobre a vlvula de admisso em um corte

longitudinal no centro do cilindro (plano X-Z) a 75 DPMS da fase de admisso e velocidade

do mbolo de 1,25 m/s. ............................................................................................................. 78

xii

Figura 7.20 - Campo de temperaturas em um corte longitudinal no centro do cilindro (plano

X-Z) a 75 DPMS da fase de admisso e velocidade do mbolo de 1,25 m/s. ......................... 79

Figura 7.21 Presso no interior do cilindro vs ngulo da rvore de manivelas ao longo da

fase de compresso e expanso. Valores experimentais (mdia de 30 medies), numricos,

isentrpicos e politrpicos. ....................................................................................................... 80

Figura 7.22 Temperatura no interior do cilindro vs ngulo da rvore de manivelas ao longo

da fase de compresso e expanso. a) valores numricos e isentrpicos. b) valores

experimentais (mdia de 30 medies). .................................................................................... 81

Figura 7.23 Temperatura no interior do cilindro na mxima compresso (plano Y-Z) ......... 82

Figura 7.24 Razo de Swirl ao longo do ciclo calculado numericamente. ............................ 83

Figura 7.25- Campo de velocidades na mxima razo de swirl em 18 DPMI, velocidade do

mbolo de 0,28 m/s. a) plano X-Z. b) plano Y-Z, c) plano X-Y na metade do cilindro, d) plano

X-Y prximo extremidade inferior do cilindro. ..................................................................... 84

Figura 7.26- Campo de presses e de temperaturas na mxima razo de swirl em 18 DPMI,

velocidade do mbolo de 0,28 m/s: a) presso no plano Y-Z; b) temperatura no plano X-Z. .. 85

Figura 7.27 Razo de Tumble ao longo do ciclo calculado numericamente. ......................... 86

Figura 7.28- Campo de velocidades; mxima razo de tumble 51aps o inicio da fase de

admisso. Velocidade do mbolo de 1,1 m/s: a) velocidade no plano X-Z; b) velocidade no

plano Y-Z. ................................................................................................................................. 86

Figura 7.29 - Campo de presses e temperaturas na mxima razo de tumble em 51 aps o

incio da admisso, velocidade do mbolo de 1,1 m/s: a) presso no plano Y-Z; b) temperatura

no plano X-Z. ............................................................................................................................ 87

Figura 7.30 - Razo de Tumble ao longo do ciclo calculado numericamente .......................... 88

Figura 7.31- Campo de velocidades mxima razo de cross-tumble, 297 aps o inicio da fase

de admisso. Velocidade do mbolo de 1,21 m/s: a) velocidade no plano X-Z; b) velocidade

no plano Y-Z. ............................................................................................................................ 88

Figura 7.32 - Campo de temperaturas e presses na mxima razo de cross-tumble, em 297

aps o inicio da admisso. Velocidade do mbolo de 1,1 m/s: a) temperatura no plano X-Z; b)

presso no plano Y-Z. ............................................................................................................... 89

xiii

Figura 7.33 Coeficiente de descarga no escapamento quase-esttico e numrico e abertura

da vlvula de escapamento ....................................................................................................... 90

Figura 7.34 Movimento circular da carga dentro do cilindro, a 75 graus aps incio da

admisso, com velocidade do mbolo de 1.25 m/s. .................................................................. 90

Figura A.1 Curva de calibrao do termopar ....................................................................... 106

Figura A1 Calibrao do sensor MAF ................................................................................. 107

xiv

NDICE DE TABELAS

Tabela 4.1 - Coeficientes do modelo k- padro ....................................................................... 33

Tabela 4.2 - Coeficientes do modelo k- RNG .......................................................................... 34

Tabela 4.3 - Coeficientes do conjunto 1C para o modelo k- SST ......................................... 35

Tabela 4.4 - Coeficientes do conjunto 2C para o modelo k- SST ......................................... 35

Tabela 6.1 - Resultados da simulao para po = 1.1 atm, pout = 1 atm, To = 293K. ................ 50

Tabela 6.2 - Intervalo angular da integrao numrica para cada abertura de vlvula

correspondente. ......................................................................................................................... 50

Tabela 6.3 - Comparao entre os valores calculados e medidos para o coeficiente de descarga

mdio total. ............................................................................................................................... 51

Tabela 6.4 - Descarga mssica e coeficiente de descarga para abertura de vlvula de 1,0 mm.

.................................................................................................................................................. 51

Tabela 6.5 - Descarga mssica e coeficiente de descarga para abertura de vlvula de 4,3 mm.

.................................................................................................................................................. 52

Tabela 6.6 - Descarga mssica e coeficiente de descarga para abertura de vlvula de 7,5 mm.

.................................................................................................................................................. 52

Tabela 6.7 - Resultados globais da integrao do CD para presso po= 1,0 bar, pout = 0,88 e

0,75 bar. .................................................................................................................................... 52

Tabela 6.8 - Comparao entre tratamentos na parede, em 1154 ........................................... 57

Tabela 7.1 - Especificaes do motor padro ASTM-CFR. Fonte: ASTM ,1964. .................... 62

xv

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ADV ngulo de Avano da Ignio

ASTM American Society for Testing and Materials

BD Blended Differencing

CAE Computer Aided Engineering

CAI Controlled Auto-Ignition

CD Central Differencing

CFD Computational Fluid Dynamics

CFR Cooperative Fuel Research

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CRF Fiat Research Center

DNS Direct Numerical Simulation

DPMI Depois do Ponto Morto Inferior

EUA Estados Unidos da Amrica

EVC Exhaust Valve Close

EVM Eddy Viscosity Models

EVO Exhaust Valve Open

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition

IC Ignition Compression

ICE Internal Combustion Engine

IVC Intake Valve Close

IVO Intake Valve Open

LDA Laser-Doppler Anemometer

LES Large Eddy Simulation

LIPA Laser Induced Photochemical Anemometry

LUD Linear Upwind Differencing

MDF Mtodo das Diferenas Finitas

MEF Mtodo dos Elementos Finitos

MVF Mtodo dos Volumes Finitos

PCC Partial Cells in Catesian

PISO Pressure Implicit Splitting of Operators

PIV Paticle Image Velocimety

xvi

PMI Ponto Morto Inferior

PMS Ponto Morto Superior

PTV Particle Tracking Velocimetry

PVC Policloreto de Vinila

RANS Reynolds-Averaged Navier-Stokes

RNG Renormalization Group

RPM Rotaes por minuto

RSM Reynolds Stress Models

SIMPLE Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations

SGS Sub Grid Scale

SST Shear Stress Transport

UD Upwind Differencing

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

URANS Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes

xvii

LISTA DE SMBOLOS

Letras Romanas

a1 Constante do modelo k- SST

CD Coeficiente de descarga

DC Coeficiente de descarga global

CDK Constante do modelo k- SST

pc Calor especfico mdio a presso constante na temperatura T, J/kgK

0pc Calor especfico de referncia a temperatura T0, J/kgK

C Coeficiente emprico relacionado ao modelo de turbulncia

C1 Coeficiente emprico relacionado a equao da taxa de dissipao

C2 Coeficiente emprico relacionado a equao da taxa de dissipao

C3 Coeficiente emprico relacionado a equao da taxa de dissipao

C4 Coeficiente emprico relacionado a equao da taxa de dissipao

C Coeficiente emprico relacionado ao modelo k- SST

1C Coeficiente emprico relacionado ao modelo k- SST C

2C Coeficiente emprico relacionado ao modelo k- SST

dV Dimetro da vlvula, m

E Coeficiente constante

F Funo de combinao do modelo k- SST

F1 Funo de combinao do modelo k- SST

F2 Funo de combinao do modelo k- SST

jhF , Fluxo de energia por difuso, W/m2

f Funo de amortecimento

g Acelerao gravitacional, m/s2

h Entalpia esttica, J

I Intensidade turbulenta, m/s

k Energia cintica turbulenta, m2/s2

K Relao politrpica entre os calores especficos

l Escala de comprimento da turbulncia, m

xviii

realm& Vazo mssica real, kg/s

idealm& Vazo mssica ideal, kg/s

N Rotao do motor, rpm

p~ Presso instantnea, Pa

p Presso mdia, Pa

p Flutuao da presso instantnea, Pa

sp~ Presso esttica, Pa

stp~ Presso de estagnao, Pa

outp Presso de sada, Pa

Pe Nmero de Peclet, ]/[ xU

rc Razo de compresso

R Constante universal dos gases, kJ/kmolK

Re Nmero de Reynolds, ]/[ xU

Rt Nmero de Reynolds turbulento, ]/[ ky

RCT Razo de cross_tumble

RS Razo de swirl

RT Razo de tumble

sm Fonte, W/m3

ijs Tensor taxa de deformao

*S Tensor de deformao adimensional

ijS Tensor de deformao mdia

S Termo fonte por unidade de volume, W/m3

S Constante do modelo k- SST

t Tempo, s

t1 Intervalo de tempo, s

ijt Tensor de tenso viscosa, Pa

0T Temperatura absoluta, K

T Temperatura mdia, K

0~T Temperatura instantnea de referncia, K

Tst Temperatura de estagnao, K

xix

U Magnitude da velocidade mdia local, m/s

u~ Velocidade instantnea na direo x, m/s

u Velocidade mdia na direo x, m/s

u Flutuao instantnea da velocidade na direo x, m/s

u+ Velocidade adimensional

V Volume, m3

Vd Volume de deslocado pelo pisto, m3

v~ Velocidade instantnea na direo y, m/s

v Velocidade mdia na direo y, m/s

v Flutuao instantnea da velocidade na direo y, m/s

y Distancia normal a partir da parede, m

y+ Distncia adimensional da parede

w~ Velocidade instantnea na direo z, m/s

w Velocidade mdia na direo z, m/s

w Flutuao instantnea da velocidade na direo z, m/s

x Incremento espacial, m

t Incremento temporal (passo de tempo), s

Letras Gregas

1 Coeficiente constante

1 Constante do modelo k- SST

*1 Constante do modelo k- SST

2 Constante do modelo k- SST

*2 Constante do modelo k- SST

ij Delta de Kronecker

Taxa de dissipao, m2/s3

Varivel escalar dependente

Fator de combinao do esquema numrico

Constante de Von Krmn

Condutividade trmica, W/mK

v Eficincia volumtrica

xx

~ Viscosidade dinmica molecular instantnea, kg/ms

Viscosidade dinmica molecular mdia, kg/ms

Flutuao da viscosidade dinmica molecular, kg/ms

t Viscosidade turbulenta, Pas

~ Viscosidade cinemtica instantnea, m2/s

Viscosidade cinemtica mdia, m2/s

Flutuao instantnea da viscosidade cinemtica, m2/s

ngulo da rvore de manivelas, (graus)

~ Densidade instantnea, kg/m3

Densidade mdia, kg/m3

Flutuao instantnea da densidade, kg/m3

i Densidade na clula i, kg/m3

Nmero de Prandtl turbulento

1k Constante do modelo k- SST

1k Constante do modelo k- SST

2k Constante do modelo k- SST

2k Constante do modelo k- SST

Constante de tempo

ij Tensor de tenso de Reynolds

Taxa de dissipao especfica, m2/s3

s Velocidade angular, rad/s

Fator de mistura

* Tensor vorticidade adimensional

ij Tensor vorticidade mdia

Difuso da grandeza considerada, m2/s

Superndices

n Nvel de tempo

xxi

Subndices

0 Coordenada de referncia

C Centride da clula

i Direo i

j Direo j

k Direo w

m Massa

mis Mistura

P Ponto no centro da clula

Denota a condio frente

Varivel escalar dependente

1

1 INTRODUO

A revoluo industrial, iniciada na Inglaterra em meados do sculo XVIII, foi

constituda por um conjunto de mudanas tecnolgicas com grande impacto no processo

produtivo em nvel econmico e social. Ao longo deste processo o trabalho humano foi

substitudo por mquinas, e uma nova relao entre o capital e o trabalho surgiu. Essa

transformao foi possvel devido combinao de fatores como a difuso do capitalismo, a

inveno de mquinas trmicas, a industrializao, entre outros. Contudo, no final do sculo

XX, a sociedade mundial comeou a preocupar-se tambm com a poluio causada por esse

crescimento desordenado. As dcadas de 70 e 80 do sculo passado ficaram marcadas pelos

altos nveis de emisses de poluentes lanados na atmosfera pela indstria e pelos

automveis. Para minimizar os problemas de sade pblica, em 1990 foi criada no Brasil uma

resoluo do CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente) que estabeleceu limites para

emisso de poluentes atmosfricos. Os automveis tiveram modificaes drsticas para

atender s regulamentaes. Atualmente, os principais esforos de mitigao da emisso de

poluentes de motores de combusto interna tm sido concentrados no aumento da eficincia

trmica e da eficincia dos sistemas de remoo de poluentes dos gases de escapamento,

como filtros de particulados e conversores catalticos. Cabe, portanto, um estudo detalhado da

admisso, compresso e escape da massa de ar admitida no motor para um melhor

entendimento dos fenmenos fsicos associados e, por conseguinte, melhorar o desempenho

dos motores de combusto interna, diminuindo, assim, a emisso de gases poluentes.

1.1 Consideraes Iniciais

O motor de combusto interna transforma energia proveniente da combusto de

hidrocarbonetos, oxigenados e gases combustveis em energia mecnica. O processo de

converso se d atravs de ciclos termodinmicos que envolvem expanso, compresso e

variao de temperatura. A extrao e refino de petrleo tiveram desenvolvimento paralelo ao

dos motores de combusto interna. Trata-se, portanto, de um par motor/petrleo de grande

importncia no desenvolvimento econmico mundial. A cada ano, novas reservas de petrleo

so encontradas; contudo, h estimativas de que at o ano de 2050 a extrao estaria reduzida

a 20% da atual. A busca da correta formulao de combustveis automotivos, a eliminao de

resduos no processo de refino, como o enxofre, e o aumento do desempenho de motores so

metas da indstria de derivados de petrleo.

2

Como a eficincia de converso de combustvel em energia mecnica, tpica nos

motores ciclo Otto, atinge atualmente cerca de 30%, faz-se necessrio o contnuo

desenvolvimento de motores mais eficientes. A eficincia do motor tem importncia

fundamental, tanto sob o ngulo econmico quanto ambiental, pois para uma dada demanda

de energia motriz, maior eficincia implica menor consumo de combustvel e menor emisso

de poluentes.

Inicialmente os motores de combusto interna ciclo Otto apresentavam eficincia de

5%; contudo, se comparado a uma Mquina de Carnot, que sob as mesmas condies limites

de temperaturas tem eficincia em torno de 60%, verifica-se uma grande margem para o

desenvolvimento do motor considerando os atuais 30% de eficincia. Essas melhorias nos

motores atuam diretamente na economia de combustvel e na reduo da emisso de dixido

de carbono e de poluentes atmosfricos (monxido de carbono, particulados, xidos de

nitrognio, aldedos, etc.).

Vrios so os parmetros que diminuem o trabalho de eixo de um motor frente

disponibilidade de energia do combustvel. Dentre eles, podem-se destacar as perdas de

energia mecnica por efeitos viscosos nas zonas estranguladas (vlvula de controle da vazo

de ar no Ciclo Otto, vlvulas de admisso e de escape). Cabe, ento, um estudo dedicado aos

parmetros que definem estas regies para diminuio da perda de carga nos sistemas de

admisso e de escape. Verifica-se, entretanto, que as solues analticas dos problemas de

escoamento esto limitadas a geometrias simples e a condies de contorno igualmente

simples. A maioria dos problemas apresenta geometrias e condies de contorno complexas,

impossibilitando a adoo de tcnicas analticas, restando a utilizao de tcnicas numricas

como melhor escolha. Conhecendo-se o modelo matemtico representativo do fenmeno

fsico, pode-se estabelecer um mtodo numrico que resolva as equaes diferenciais. A

obteno da soluo numrica de qualquer problema fsico requer, inicialmente, a habilidade

de criao de um modelo matemtico que possa ser resolvido com tempos computacionais

no demasiadamente altos, de forma que os resultados obtidos sejam significativos e

caracterizem o problema em questo.

A utilizao de tcnicas numricas discretizadas visa a resolver uma ou mais equaes

diferenciais, substituindo-se as derivadas existentes na equao atravs da discretizao por

expresses algbricas que envolvam a funo incgnita. A maneira de obter as equaes

algbricas caracteriza o tipo de mtodo numrico. Dentre os mtodos mais tradicionais, pode-

se citar o Mtodo das Diferenas Finitas (MDF), o Mtodo dos Elementos Finitos (MEF) e o

Mtodo dos Volumes Finitos (MVF).

3

O mtodo de volumes finitos mais uma forma de se obter uma verso discreta de

uma equao diferencial parcial. Diferentemente de outros mtodos, ele fundamenta-se em

uma abordagem fsica do problema representado pela equao diferencial. O seu

desenvolvimento est intrinsecamente ligado ao conceito de fluxo entre regies ou volumes

adjacentes. O fluxo a quantidade de uma grandeza genrica que atravessa uma fronteira com

rea determinada, e sua quantidade lquida a que atravessa um volume de controle por

unidade de tempo calculada pela integrao sobre essas fronteiras.

A aplicao da tcnica de volumes finitos permite escrever equaes diferenciais que

exprimam as relaes de conservao de massa e de energia. A interpretao fsica direta

resultante da aplicao dos volumes finitos bem como a possibilidade de aplic-lo diretamente

sobre malhas com espaamentos no-uniformes so duas de suas vantagens.

Contudo, em muitos casos, faz-se necessrio a utilizao de mtodos experimentais

para coletar dados que quantifiquem os fenmenos fsicos associados e que,

consequentemente, possam validar os modelos numricos utilizados. Os mtodos de ensaios

virtuais no substituem os experimentais, mas permitem explorar numerosas opes em um

estgio inicial do projeto dos motores a um custo muito menor [Mendera, 2005; Stiesch,

2006].

1.2 Objetivo do Trabalho

O objetivo deste trabalho o desenvolvimento e a validao de metodologias para

simular o comportamento dinmico do escoamento e da transferncia de calor em motores de

combusto interna. Para isto, o trabalho est organizado em duas partes. Na primeira parte, foi

realizada uma anlise em regime permanente e transiente (motor veicular Fiat) com a

finalidade de avaliar caractersticas estticas do sistema de admisso e as caractersticas

dinmicas do escoamento com tratamento hbrido no modelo de turbulncia. Na segunda

parte, foi realizada uma anlise transiente do funcionamento do motor CFR (Cooperative Fuel

Research) para um ciclo tpico. Aspectos de combusto no foram analisados. O trabalho se

concentra na anlise do escoamento compressvel transiente com transferncia de calor em

motores combusto interna.

A anlise em regime permanente enfoca principalmente a determinao do coeficiente

de descarga do sistema de admisso do motor. Este definido pela capacidade de aspirao de

ar em um motor de combusto interna em relao aspirao que aconteceria sob condies

ideais de escoamento. Esse coeficiente, normalmente, calculado e medido de maneira

4

esttica sob condies representativas de presso tpicas do funcionamento do motor.

Considera-se que os valores estticos so adequados para avaliar o comportamento dinmico

atravs da vlvula em um motor em funcionamento, pois verifica-se que o campo de

velocidade pode representar o comportamento dinmico com tolerncias razoveis apesar de a

presso variar significativamente ao longo do curso de admisso [Heywood, 1988]. Nesta

parte do trabalho, verificado o potencial de modelos numricos de dinmica dos fluidos

quanto ao clculo desse coeficiente. Para isto, os resultados de simulaes so comparados

com medies disponveis para determinadas aberturas de vlvula de um motor

monocilndrico operando com escoamento em regime permanente [Fiat, 1982 e 1983].

A anlise em regime transiente enfoca principalmente o desenvolvimento da carga

dentro do cilindro, considerando a vazo mssica na admisso, a presso, temperatura, e o

turbilhonamento dentro do cilindro (razo de swirl, razo de tumble e cross-tumble) em um

motor padro funcionando em um regime de baixa rotao. Os resultados de simulaes

transientes em geometria tridimensional, reproduzindo a geometria do motor padro CFR,

foram comparados com medies transientes de vazo do ar admitido, presso e temperatura

em relao posio da rvore de manivelas.

A comparao dos resultados previstos numericamente com as medies permitiu

validar, dentro de parmetros limitados aos valores medidos (basicamente, parmetros globais

de operao do motor), o comportamento dos modelos e dos parmetros das simulaes

numricas, incluindo as malhas utilizadas. A anlise detalhada dos resultados da simulao

possibilita discutir o comportamento do motor CFR quanto a aspectos de escoamento,

permitindo aumentar o conhecimento sobre as caractersticas desse motor, auxiliando a

interpretao de resultados de ensaios de combustveis. Finalmente, recomendaes gerais

sobre a simulao de motores so geradas.

As principais contribuies deste trabalho foram: na primeira parte a comparao entre

funes de interpolao e modelos de turbulncia na previso das caractersticas do

escoamento; na segunda parte, que o procedimento numrico de investigao capaz de

reproduzir os principais parmetros que caracterizam o escoamento, obtidos

experimentalmente.

1.3 Organizao do Trabalho

Neste captulo, foi realizada uma breve discusso sobre a importncia do estudo de

motores de combusto interna, ressaltando o emprego de mtodos numricos na anlise do

5

escoamento em seu sistema de admisso, de escape e na cmara de combusto bem como os

objetivos e as motivaes para execuo desse trabalho.

No segundo captulo, so citados alguns autores que tm publicado artigos relevantes

ao assunto para caracterizar o trabalho proposto.

No terceiro captulo, feita uma fundamentao terica do funcionamento dos

motores de combusto interna, considerando as causas e os efeitos dos escoamentos no ciclo

do motor. Os parmetros relacionados presso de compresso, o processo de troca de gases,

o coeficiente de descarga e o movimento do gs dentro do cilindro tambm so discutidos

neste captulo.

No quarto captulo, feita uma reviso dos principais conceitos relacionados ao

tratamento estatstico da turbulncia, com apresentao das caractersticas do escoamento

turbulento, das equaes de conservao de massa, de momento e de energia e da turbulncia

em motores de combusto interna. feita ainda a classificao dos modelos de turbulncia

mais comuns, descrevendo os que so empregados neste trabalho, com os devidos tratamentos

pertinentes a cada modelo bem como o tratamento numrico do escoamento prximo s

paredes. No quinto captulo, apresenta-se a metodologia numrica empregada, exibindo os

mtodos mais comuns, com relevncia ao Mtodo dos Volumes Finitos empregado neste

trabalho.

No sexto captulo, so apresentadas algumas solues numricas, sendo que o

primeiro trata da comparao entre os resultados obtidos a partir de experimentos e

simulaes do coeficiente de descarga no coletor de admisso de um motor diesel para trs

diferentes aberturas estticas de vlvula, bem como comparaes da razo de swirl para o

tratamento hbrido no modelo de turbulncia em diferentes passo de tempo para o regime

transiente. So considerados dados experimentais, validao da simulao numrica e os

resultados computacionais.

O stimo captulo trata da comparao entre os dados experimentais de presso, vazo

mssica e temperatura ao longo do ciclo em um motor padro CFR, com dados numricos

dinmicos obtidos com comercial Star-cd sob as mesmas condies de funcionamento. Foram

analisados tambm os movimentos do gs dentro do cilindro, considerando os parmetros de

razo de swirl, de tumble e de cross-tumble. Foram simulados alguns fenmenos fsicos

citados acima, de modo a permitir o desenvolvimento de processos de combusto melhor

compreendidos, levando a motores mais eficientes e, portanto, mais econmicos, confiveis e

menos danosos ao meio ambiente. No oitavo captulo, feita a discusso dos resultados e as

consideraes finais.

6

2 REVISO BIBLIOGRFICA

Mtodos numricos e experimentais so utilizados para a compreenso do

comportamento do escoamento na admisso, no interior do cilindro e no escape de motores de

combusto interna. No mbito numrico, os cdigos mais avanados permitem a simulao de

fronteiras mveis com escoamento turbulento e compressvel para determinao de

caractersticas importantes dos campos de velocidades, do coeficiente de descarga e dos

turbilhonamentos radiais e axiais. No mbito experimental, tcnicas de medio de

temperatura e presso de compresso e vazo na admisso tm sido empregadas para

quantificarem esses parmetros, que so empregados na validao dos mtodos numricos.

Com o desenvolvimento de computadores de alta velocidade, a simulao de

processos termodinmicos e termoqumicos tornou-se mais sofisticada e vivel, permitindo

modelar a sequncia do ciclo de operao do motor bem como a composio e propriedades

dos fluidos de trabalho. A partir do conhecimento do campo do escoamento, da transferncia

de calor entre os gases e as paredes internas e da taxa de liberao de energia do combustvel,

possvel obter a transferncia de trabalho para o eixo, considerando as equaes de

conservao de massa e de energia. A predio dos detalhes do campo de escoamento dentro

dos motores e dos processos de transferncia de calor e de combusto dependentes destes

campos tornou-se vivel gradativamente nas ltimas dcadas atravs de solues numricas

das equaes que governam os fenmenos fsicos e qumicos. Esses avanos foram possveis

com a ajuda do desenvolvimento de mtodos para projetos assistidos por computador, CAE

(Computer Aieded Engineering), tais como prottipos e ensaios virtuais, que so utilizados

para descrever as geometrias que posteriormente so utilizadas nas simulaes numricas e

nos projetos e desenvolvimento de novos motores e de seus sistemas. Essa tendncia

impulsionada pelo alto custo que os ensaios de laboratrio ou de campo causam tanto em

termos financeiros quanto temporais. Com isto, a indstria automotiva tem passado por

grandes mudanas referentes pesquisa de novos motores. O CFD (Computer Fluid

Dynamics) tem-se revelado um grande apoio aos projetos e trabalhos experimentais, pois

permite que os objetivos sejam alcanados em menor tempo com reduo de custos. Muitos

esforos tm sido empregados no desenvolvimento de mtodos de simulao de motores que

empregam a dinmica de fluidos, que permitem calcular o campo de escoamento

tridimensional, oferecendo uma imagem mais realista e detalhada dos processos nos motores.

Diversas ferramentas de CFD esto acessveis para simular a operao de motores de

combusto interna. Softwares comerciais como o Vectis (Ricardo Software), o Fire (AVL), o

7

Fluent (ANSYS) e o Star-cd (CD Adapco) caracterizam-se pela gerao de malha pr e ps-

processamento, assim como pela disponibilidade de suporte especializado ao usurio

[Mendera, 2005].

Os modelos de simulao unidimensionais da dinmica dos gases (1-D CFD) so

programas de computador que combinam a abordagem 0-D para os processos no interior do

cilindro com a abordagem 1-D para o clculo das vazes atravs dos sistemas de admisso e

de descarga. Atravs de equaes baseadas em experimentos para avaliar as perdas mecnicas

e de equaes empricas, os programas 1_D relacionam o processo de liberao de calor com

as trocas trmicas, bem como o processo de enchimento e de esvaziamento durante o ciclo do

motor. Os programas 1-D comerciais mais conhecidos so o GT Power (Gamma

Technologies), o Boost (AVL) e o Wave (Ricardo Software). Os programas 3-D resolvem todo

o domnio, fornecendo resultados detalhados dos fenmenos associados, porm com maior

custo e tempo computacional. Ambos os modelos tm contribuio valiosa no

desenvolvimento de motores. A utilizao de cada um depende da resoluo necessria dos

resultados, da extenso em que foram testados e validados e do tempo e esforos necessrios

para efetuar conjuntos extensivos de clculos e interpretar seus resultados [Heywood, 1988].

O desenvolvimento de cdigos numricos para gerao de malhas mais eficientes,

quando utilizados em geometrias complexas, vem crescendo medida que os sistemas de

processamento vm se tornando mais rpidos. Em dcadas passadas, no era vivel o

mapeamento refinado de geometrias complexas, como o caso de motores. Takahashi, 1990,

props uma metodologia para os dados de entrada referentes malha, utilizando o mtodo

PCC (Partial Cells in Cartesian), e obteve boa concordncia com os dados experimentais do

campo de presso e de velocidades em determinadas aberturas de vlvula e em regime

permanente, com menor tempo computacional.

Moriyoshi, 1994, utilizou alguns modelos de turbulncia e fez modificaes em seus

coeficientes, obtendo resultados condizentes entre o campo de velocidade medido

experimentalmente e o campo obtido computacionalmente. Qian et al, 1994, mediram o

campo velocidades com a utilizao do laser Doppler durante a compresso de um motor

acendido por compresso (IC) e tambm modificaram os coeficientes do modelo k- para

obterem melhor concordncia com os valores da razo de swirl medidos.

Kimura et al., 1994, analisaram a eficincia trmica de um motor diesel a partir da

medio da transferncia de calor no cilindro. Os autores compararam geometrias diferentes

de cmara no cilindro que atuam significativamente na formao do swirl. Concluram que a

eficincia trmica fortemente dependente da formao de swirl, que, por sua vez,

8

dependente da geometria de cmara de combusto. Nishiwaki et al., 1994, tambm utilizaram

o modelo de turbulncia k- com os coeficientes modificados para calcular os picos de

transferncia de calor em um motor em relao posio da rvore de manivelas.

Bianchi et al., 2002a, a partir de simulaes numricas, analisaram o coeficiente de

descarga, focalizando os tipos de orifcio de admisso e comparando-os com medidas

experimentais. Kaario et al., 2003, compararam o modelo de turbulncia k- RNG (k-

Renormalization Group) com o modelo LES (Large Eddy Simulation), utilizando a

aproximao de incompressvel e isotrmico, que permitiu capturar mais as estruturas

complexas do escoamento que o modelo k- RNG, porm com esforo computacional muito

elevado.

Considerando os efeitos da compressibilidade do escoamento, alm de no-isotrmico

e anisotrpico, presentes nos motores de combusto interna, alguns trabalhos foram feitos

utilizando o modelo de turbulncia k- para a anlise da relao entre as tenses normais em

escoamentos tridimensionais. Bianchi et al., 2002b, compararam o modelo k- baseado na

viscosidade turbulenta linear com a no-linear (quadrtico e cbico) e concluram que a

relao cbica para as tenses mdias de Reynolds apresentou melhor concordncia com os

dados experimentais. Em outro trabalho, esses mesmos autores, 2003, investigaram o modelo

para altos e baixos Reynolds com tratamento prximo parede, ambos com funes de

interpolao cbica entre as tenses mdias de Reynolds e as deformaes. A concluso foi

que a aproximao para baixos Reynolds, atravs do aumento do esforo computacional,

apresenta maior capacidade de capturar o escoamento no coletor de admisso.

Outra alternativa usar o modelo RNG, que utiliza conceitos similares aos dos

modelos no-lineares, porm com maior simplicidade. Baratta el al., 2003, obtiveram maior

aproximao com os dados experimentais do escoamento em um motor ao modificar as

constantes do modelo RNG.

Pode-se, ainda, utilizar o modelo k- SST para capturar os fenmenos de turbulncia,

pois este tem sido considerado mais adequado quando h altas recirculaes com

descolamentos de camada limite [Baratta, 2009].

Baratta et al., 2008 a,b, resolveram o campo de velocidades esttico com o Star-cd e

com o Fluent para trs aberturas de vlvula, comparando dados experimentais com numricos

da razo de descarga e do swirl. Os autores obtiveram concordncia com disperso de 4% e

6% com os dados experimentais.

Dent e Chen, 1994, compararam dados experimentais com numricos do escoamento

em um motor. O problema numrico foi resolvido para diferentes aberturas de vlvula,

9

utilizando o software comercial Star-cd. Os resultados do coeficiente de descarga e da presso

foram comparados, e os autores verificaram que esses valores so fortemente dependentes da

abertura de vlvulas.

Liu et al., 1994a, mediram o perfil de velocidade e a intensidade de turbulncia na

descarga em um motor tpico acendido por centelha (SI) com anemmetro de fio quente em

regime permanente. Os dados foram coletados para diferentes aberturas de vlvulas. Os

autores concluram que o perfil de velocidades e a intensidade de turbulncia so fortemente

dependentes da abertura de vlvula e da geometria dos dutos de admisso. Liu et al., 1994b,

mediram, com o mesmo processo, a magnitude do momento angular e as razes de swirl no

processo de admisso para cada velocidade relacionada com abertura de vlvulas.

Ibrahin et al., 2008a, obtiveram, a partir de simulaes computacionais, a variao da

temperatura no coletor de admisso em relao rvore de manivelas, utilizando o programa

de simulao GT-Power em diferentes rotaes do motor. O objetivo da pesquisa foi gerar

informaes de temperatura na fase de admisso para serem utilizadas na fase de combusto.

Em outra publicao, esses mesmos autores, 2008b, verificaram a variao de presso e

temperatura durante as fases de combusto e de escape, utilizando o GT-Power. Assim,

obtiveram os campos de presso e de temperatura em relao rvore de manivelas para

diferentes rotaes do motor.

Semin et al., 2008a, por sua vez, verificaram que a presso do coletor de admisso em

relao rvore de manivelas e rotao do motor pode ser obtida a partir de mtodos

computacionais com boa aproximao dos dados experimentais. Os autores, utilizando o

programa de simulao GT-Power, obtiveram informaes quantitativas para prever as

caractersticas do escoamento na fase de admisso. Posteriormente, estas podem ser utilizadas

para a fase de combusto.

Luo et al., 2003, utilizaram o cdigo numrico KIVA-3 para determinar o escoamento

transiente tri-dimensional no sistema de admisso de um motor com cmara de combusto

semi-esfrica. A partir da simulao numrica, os dados do campo de velocidade e de presso

foram obtidos em diferentes planos e ngulos da rvore de manivelas. Segundo os autores, os

resultados de turbilhonamentos, de campo de velocidades e de presso so importantes para o

desenvolvimento da geometria do sistema de admisso de motores de combusto interna.

Yusaf et al., 2005, desenvolveram um cdigo para determinar a transferncia

transiente de calor durante a combusto em um motor acendido por centelha. Campos de

temperatura e de presso foram obtidos numericamente e comparados com dados

experimentais coletados, obtendo-se boa concordncia. Os dados de transferncia de calor

10

experimentais foram obtidos com termopares posicionados equidistantes de 5 mm, inseridos

na parede superior do cilindro. Os dados experimentais de presso foram adquiridos com

transdutor de presso do tipo tico.

Diversos mtodos so empregados para medir a temperatura de compresso em um

motor de combusto interna. Lin et al., 1990, mediram a distribuio de temperatura em um

motor tracionado diesel a partir da tcnica de dupla exposio hologrfica, utilizando laser

durante a fase de compresso. Os autores concluram que o mtodo fornece resultados dos

gradientes de temperatura durante a compresso, observando que a mxima diferena de

temperatura em toda a cmara de combusto foi em torno de 40 K a 60 K durante todo o ciclo

de compresso. Outra constatao desses autores foi que a temperatura no centro da cmara

de combusto apresenta uma regio homognea e pode ser tratada como adiabtica.

Muller, 1990, construiu uma clula de teste para comparar o campo de velocidade e de

temperatura do ar aquecido por uma chama, utilizando o mtodo hologrfico e o PIV (Paticle

Image Velocimety). O autor concluiu que possvel medir esses parmetros com boa

resoluo a partir da tcnica hologrfica, porm necessrio um tratamento matemtico

adequado do sinal para se obter a incerteza coerente com a ordem de grandeza da medio.

A formao do swirl decorrente, principalmente, da geometria do coletor de

admisso, da regio de entrada e sada da vlvula de admisso e tambm da posio das

vlvulas em relao ao eixo de simetria do cilindro. So utilizados condutos de admisso em

espiral ou hlice para se poder aumentar o swirl, que permanece, geralmente, durante os

processos de admisso, compresso e expanso. Nos motores equipados com cmara de

combusto na parte superior do mbolo, o movimento rotacional inicia durante a admisso e

substancialmente modificado durante a compresso. Esse tipo de turbilhonamento

importante na formao da mistura em motores ciclo Otto, na homogeneidade da combusto

em motores ciclo Diesel e na propagao de chama em motores que utilizam carga

estratificada com combusto pela ignio auto controlada (CAI) ou pela ignio por

compresso de carga homognea (HCCI) [Zhao et al., 2002].

A utilizao de combusto com mistura pobre, atravs do coeficiente de descarga,

tumble e cross-tumble, tem se mostrado com grande potencial para reduo de emisso de

poluentes e de consumo de combustvel. Estes parmetros promovem a atomizao,

evaporao e mistura da carga de admisso. A magnitude da rotao da carga de admisso

depende a velocidade de admisso, da geometria do duto de admisso, da relao

curso/dimetro e da forma da cmara de combusto [Hill and Zhang, 1994].

11

Vrios autores mostraram, por meio de trabalhos experimentais, que existe uma forte

relao do aumento do movimento da carga de admisso com a diminuio do tempo de

combusto [Kido et al., 1980; Witze and Vilchis, 1981; Kent et al., 1989; Hadded and

Denbratt, 1991; Urushihara et al., 1995; Urushihara et al., 1996; Jeon et al., 1998; Selamet et

al., 2004; Goldwitz and Heywood, 2005]. A taxa de queima, conforme mostrado por Baritaud,

1989, pode ser diretamente relatada atravs da intensidade de turbulncia gerada pelo swirl e

tumble. Com o aumento da turbulncia durante a combusto h um aumento da velocidade

turbulenta da chama. Swirl e tumble diminuem do tempo de retardo de acendimento da

mistura e a variao cclica substancialmente reduzida [Witze et al., 1988; Lord et al., 1993;

Arcoumanis et al., 1998; Ancimer et al., 1999; Selamet et al., 2004].

Resultados experimentais obtidos por Mikulec et al., 1988, em um motor

monocilndrico, utilizando propano com relao fixa de ar/combustvel, mostraram que swirl

reduz o consumo especfico em 3% quanto a razo de swirl varia de 0 para 2,8. Jie et al.,

1993, atravs de experimentos feitos em um motor monocilndrico com diferentes razes de

tumble, observaram que o consumo especfico fortemente dependente da razo de tumble.

Por outro lado a intensificao do swirl e tumble aumenta a transferncia de calor para

as paredes da cmara de combusto e diminuem a eficincia volumtrica [Davis e Borgnakke,

1982; Alkidas et al., 1990; Zhang and Frankel, 1997]. Nagao e Tanaka, 1983, introduziram

geradores de swirl e tumble na admisso e mediram a eficincia de converso de combustvel.

Concluram que existe um ponto timo do nmero de swirl e de tumble no qual se pode obter

melhor aproveitamento do combustvel.

Kim et al., 1994, verificaram variao da formao de xidos de nitrognio em um

motor montado em um dinammetro de bancada para trs tipos de coletores de admisso. Os

autores concluram que a formao de xidos de nitrognio fortemente dependente do

campo de velocidades, considerando os movimentos da carga de gs admitida dentro do

cilindro de turbilhonamentos longitudinais e radiais.

Arcoumanis et al., 1994, quantificaram a relao entre o desenvolvimento da

combusto e as condies de entrada do escoamento a partir de medies experimentais,

considerando as caractersticas do tumble e do swirl. Os autores concluram que a variao

das caractersticas do escoamento, devido utilizao de geradores de tumble na admisso do

motor, tem influncia direta na velocidade de propagao da chama.

Semin et al., 2008b, simularam, com o GT-Power, as variaes de temperatura no

coletor de admisso de um motor IC adaptado para SI, utilizando gs natural como

combustvel. Chana et al., 2003, por sua vez, utilizaram sensores de temperatura de 50 m de

12

espessura, colados na superfcie do pisto, para avaliar a transferncia de calor. Segundo esses

autores, a frequncia de resposta foi na ordem de 100 kHz na condio do motor operar em

baixas cargas e tracionado.

Kawahara et al., 2004, mediram a temperatura da mistura estequiomtrica de ar e gs

metano durante o ciclo de compresso de um motor SI, utilizando fibra tica e interferometria

com laser. Os resultados obtidos foram comparados com valores calculados, considerando o

escoamento adiabtido e politrpico. A concluso dos autores foi que o mtodo eficiente

devido concordncia entre os dados experimentais medidos com os valores calculados.

Kawahara et al., 2005, utilizaram a mesma tcnica para medir a temperatura transiente no

ciclo de compresso, porm em um motor operando no modo HCCI (Homogeneous charge

compression ignition), em que a mistura ar e combustvel extremamente pobre. Os

resultados obtidos tambm mostraram boa concordncia quando comparados com os valores

calculados, considerando o escoamento adiabtico e politrpico.

A medio de vazo na admisso do motor importante para se efetuar o clculo do

coeficiente de descarga. Diversas tcnicas so utilizadas para determinar a quantidade de

massa admitida pelo motor. Hadded et al., 1991, utilizaram a tcnica de laser Doppler para

caracterizar o movimento da massa de ar admitida pelo motor durante o processo de admisso

e compresso. Witze et al., 1980, compararam o turbilhonamento medido dentro do cilindro,

utilizando as tcnicas de anemometria de fio quente e de laser Doppler. A concluso dos

autores foi que a utilizao do laser Doppler permite uma resoluo melhor da medio,

devido a uma maior varredura da geometria estudada.

Outra tcnica para medio do escoamento por meio tico. Ronnback, 1991, estudou

o comportamento do turbilhonamento induzido, utilizando a tcnica de PTV (Particle

Tracking Velocimetry), e Kiyota, 1992, verificou a estratificao da mistura pobre. Utilizando

a mesma tcnica, Trigui et al., 1994a, apresentaram um estudo detalhado do escoamento para

um motor tpico, porm os dados foram obtidos em um simulador anlogo, que utiliza gua

com vazo controlada e um sistema 3-D para determinao dos campos de velocidades. Os

autores obtiveram uma correlao entre os valores reais, medidos no motor com combusto,

com os valores do turbilhonamento, medidos no simulador. Assim, eles demonstraram que o

sistema anlogo pode prescrever uma aproximao que caracteriza o escoamento real,

podendo ser utilizado como metodologia para projeto e desenvolvimento de motores. Os

mesmos autores, 1994b, utilizaram medies experimentais do escoamento em um motor,

feitas com a tcnica 3D PTV durante o processo de admisso e compresso, como dado de

entrada para o clculo numrico do campo de velocidades com o uso de software comercial

13

Star-cd. Eles verificaram que o procedimento adotado vivel como ferramenta para o

projeto de motores, considerando a dinmica do escoamento e as caractersticas da

combusto.

Reuss et al., 1989, utilizaram a tcnica tica PIV para medio planar instantnea do

campo de velocidade e largas escalas de vrtices e a variao da tenso de cisalhamento do

escoamento em um motor tracionado.O mesmo mtodo foi utilizado tambm por Reuss, 1990,

para medir a velocidade, a vorticidade e a taxa de deformao frente da chama. Reeves,

1994, utilizou o mtodo PIV para determinar o turbihonamento durante o processo de

admisso e de compresso de um motor de combusto interna tracionado.

Stier e Falco, 1994, analisaram o comportamento do escoamento em uma bancada,

utilizando a tcnica do LIPA (Laser Induced Photochemical Anemometry). Foram observadas

trs aberturas de vlvulas a 20 rpm com gua (correspondendo a 340 rpm com ar). Os autores

obtiveram o campo de velocidades com a formao de recirculaes, considerando as

magnitudes dos vrtices.

A partir de dados experimentais, Ibrahim et. al., 2008b, constataram que o aumento da

rotao do motor aumenta o valor do pico de presso de compresso, devido ao menor tempo

de perda de calor para as paredes do cilindro e tambm devido aos menores vazamentos pelos

anis.

Diversos trabalhos experimentais foram desenvolvidos utilizando o motor Padro CFR

A simplicidade na geometria associada razo de compresso varivel torna esse

equipamento com qualidades desejveis para confrontar dados experimentais com numricos.

Rech et al.; 2003, utilizou o motor CFR para quantificar, experimentalmente, a

proporo diesel necessria para acender o gs natural operando em ciclo duplo. Nesse

experimento, foram verificados o nvel de emisses de poluentes e a presso na cmara de

combusto em relao variao da relao de compresso do ponto de injeo e da

proporo da mistura. Os combustveis utilizados foram o diesel e o gs natural em

propores variadas. A injeo de diesel original do motor foi mantida, porm com um

sistema de reduo do dbito acoplado na cremalheira da bomba injetora. O gs natural foi

aspirado por meio de um venturi colocado na admisso do motor. O objetivo do trabalho foi o

de substituir uma parcela do combustvel diesel pelo gs natural no transporte pesado,

mantendo as mesmas caractersticas de potncia do motor e diminuindo o nvel de emisses.

Wildner, 2006, mediu a velocidade de propagao da chama no motor CFR para

diversos combustveis, pois, a partir dessa medida, pode-se definir parmetros de avano da

ignio, da relao de compresso e da relao ar e combustvel. Os resultados obtidos

14

indicaram que os combustveis de cadeias ramificadas e os oxigenados, conforme esperado,

apresentam menores velocidades de propagao da chama na cmara de combusto e que a

velocidade de propagao da chama fortemente dependente da relao ar e combustvel e da

razo de compresso.

Andrade, 2007, desenvolveu e testou uma metodologia para determinar a durao de

combusto de alguns combustveis no motor CFR. Considerando que a durao da combusto

est relacionada com a velocidade de propagao da chama, com a relao de compresso,

com a condio de mistura ar-combustvel, com a turbulncia na cmara de combusto dentre

outros fatores, o autor concluiu que os combustveis usados nesta avaliao apresentaram um

comportamento geral com boa repetitividade, apresentando uma incerteza mxima de 2,5%

nos resultados da durao de combusto, indicando que o aparato e a metodologia

experimental apresentaram coerncia.

Lanzafame, 1999, utilizou um motor CFR para analisar os efeitos da injeo de gua

durante o processo de admisso com objetivo de verificar as divergncias existentes na

literatura sobre esse procedimento. A partir de dados experimentais e tericos, o autor conclui

que o mtodo empregado pode controlar a detonao e a formao de xidos de nitrognio em

motores acendido por centelha.

Sanders and Barnett, 1943, investigaram os efeitos da recirculao de gases queimados

na admisso de um motor CFR. Os ensaios foram realizados considerando o limite de

detonao da mistura. Os autores concluram que, injetando at 7% de gases queimados, h

um aumento na presso mdia efetiva e que no h diminuio significativa no consumo

especfico.

Wagner et al., 2000, investigaram a disperso cclica de mistura pobre em um motor

SI_CFR, utilizando funes mapeadas que representam a conectividade entre a combusto

medida e os prximos eventos da combusto. O objetivo foi encontrar funes no lineares de

baixa ordem para serem utilizadas nas estratgias de controle dos motores em tempo real.

Gautam e Martin, 2000, utilizaram o motor CFR para determinar as vantagens e as

desvantagens da adio de combustveis oxigenados gasolina. Os parmetros comparativos

utilizados foram os de detonao, presso mdia efetiva e emisses. Os autores concluram

que o aumento da proporo de combustvel oxigenado na gasolina aumenta a resistncia

detonao e velocidade de queima, e que o atraso da ignio tambm aumenta a velocidade

de queima.

Laza et al., 2006, analisaram a influncia da adio de etanol nos leos combustveis,

no processo de queima e de emisso de poluentes em um motor CFR_Cetane (Ciclo Diesel).

15

Os autores concluram que o acrscimo de oxigenados aumenta o pico de presso e diminui

tanto a formao de xidos de nitrognio quanto o nmero de cetanos.

Em suma, diversas so as pesquisas feitas com o motor padro CFR. Cabe ainda

ressaltar que Lii e Karim, 2005, analisaram as emisses de gases provenientes do escape para

misturas de combustveis gasosos. Flowers et al., 1999, Nowak et al., 2008, Hosseini e

Checkel, 2006, utilizaram o motor no modo HCCI. Echavarria, 2006, injetou ar comprimido

controlado por auto-ignio. Zervas et al., 2004, analisaram a influncia da relao

ar/combustvel na emisso de hidrocarbonetos no modo SI. Shrestha, 2008, comparou o

desempenho do motor, utilizando biogs e gs metano. Szybist et al., 2007, analisaram auto-

ignio, substituindo o diesel convencional por combustveis alternativos.

Os mtodos experimentais utilizados neste trabalho no motor CFR, tracionado por um

motor eltrico a 200 rpm e razo de compresso de 6:1, foram os de anemometria de filme

quente para medio de vazo mssica; de termopar para medio de temperatura e tico para

medio de presso. As tcnicas utilizadas so discutidas ao longo do trabalho, considerando

as incertezas de medio e de tempo de resposta.

16

3 FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Motores de combusto convertem energia qumica em energia mecnica

disponibilizada no eixo a partir do processo de combusto, caracterizado por uma rpida

reao exotrmica em meio gasoso em que o oxignio usualmente um dos reagentes. A

expanso do meio gasoso com o aumento da energia interna movimenta o eixo do motor

transformando a energia interna do gs em trabalho mecnico no eixo. De acordo com Guibet,

1999, a combusto de misturas gasosas supostamente homogneas de ar atmosfrico e

combustvel em motores de combusto interna e com ignio por meio de uma centelha

caracteriza-se pelo desenvolvimento de uma zona de reao que inicia no ponto entre os

eletrodos da vela de ignio e se propaga atravs do volume da cmara. A velocidade de

deslocamento da frente de chama influenciada por caractersticas como composio do

combustvel, relao de mistura, temperatura da mistura e de operao do motor, rotao e

geometria do motor e demais caractersticas do escoamento na cmara de combusto.

A Figura 3.1 [Heywood, 1988] apresenta a sequncia de eventos que ocorrem nos

motores de Ciclo Otto em relao ao ngulo da rvore de manivelas. O diagrama superior da

Figura 3.1 representa a variao da presso no cilindro em relao ao ngulo da rvore de

manivelas e a abertura e fechamento das vlvulas de admisso e de escape. Verifica-se que o

ciclo inicia com a vlvula de admisso e de escape abertas, perodo conhecido por

cruzamento de vlvulas (embora nem sempre exista cruzamento de vlvulas em motores).

Aps alguns graus depois do ponto morto superior (DPMS), a vlvula de escape fechada

(EVC), permitindo melhor limpeza devido a efeitos de inrcia do escoamento e tambm ao

refluxo dos gases queimados na direo do sistema de admisso, devido presena de presso

superior no cilindro em relao ao coletor de admisso. Neste perodo, as taxas de variao da

presso so muito pequenas. A vlvula de admisso fechada (IVC) alguns graus depois do

ponto morto inferior (DPMI) para maior enchimento devido a efeitos de inrcia, resultando

em aumento do rendimento volumtrico. Caso no haja a ignio, a curva de presso se

comporta como a linha tracejada. Neste caso, o motor comporta-se como compressor e diz-se

que o cilindro est sendo tracionado externamente. Caso haja a ignio devido centelha, de

10 a 40 antes do PMS, iniciada a combusto, que resulta em um comportamento da

presso no cilindro representado pela linha contnua. A este ngulo d-se o nome de ngulo

de avano da ignio (ADV).

No diagrama inferior da Figura 3.1 esto representadas as variaes percentuais do

volume deslocado no cilindro (Vd) e o aumento das fraes de gases queimados (xb) em

17

relao ao ngulo da rvore de manivelas. Verifica-se que o volume interno do cilindro varia

desde um valor mnimo na posio do ponto morto superior, equivalente ao volume morto

(Vc), at um volume mximo na posio do ponto morto inferior. Essa variao ocorre duas

vezes para completar um ciclo termodinmico no motor de quatro tempos.

Figura 3.1 - Sequncia de eventos em um motor de Ciclo Otto [Adaptado de Heywood, 1988]

3.1 Processo de Troca de Gases

O processo de troca de gases em motores de combusto interna trata da sada de gases

queimados (escape) e da entrada de carga nova (processo de admisso) para o prximo ciclo.

No caso de motores ciclo Diesel, a admisso somente de ar, sendo posteriormente injetado o

combustvel, dando incio combusto. Em motores ciclo Otto, a admisso pr-misturada

(ar e combustvel), e a ignio ocorre por uma centelha. Ocorre ainda sistema de injeo

direta no ciclo Otto em que no h pr-mistura. O torque gerado pelo motor est relacionado

com a carga admitida, que depende, dentre outros parmetros, da geometria do coletor e dos

dutos da admisso, das vlvulas e das condies de operao.

A eficincia volumtrica o parmetro utilizado para medir a capacidade de

enchimento e definida em motores de quatro tempos por:

18

2 realv

d

mV N

=&

(3.1)

onde realm& representa a vazo de ar mdia durante a admisso, representa a densidade mdia

do ar nas condies de presso e temperatura da admisso, dV o volume deslocado e N a

rotao do motor. A eficincia volumtrica influenciada por parmetros tais como: tipo de

combustvel; relao ar e combustvel; presso no coletor de admisso; razo de compresso;

rotao; geometria dos coletores de admisso e de escape; geometria, tamanho, abertura e

tempo de abertura das vlvulas, dentre outros. Os gases que entram e saem dos motores de

combusto interna esto sujeitos a perdas de carga devido ao atrito viscoso e efeitos de inrcia

que ocorrem nos dutos de admisso e descarga, na passagem pelas vlvulas, na cmara de

combusto e nas paredes do cilindro. Tais perdas dependem da velocidade, do tamanho e da

forma dessas passagens. A maior contribuio para essas perdas encontra-se na restrio de

passagem entre a vlvula e a sede.

A presso no coletor de admisso varia ao longo do ciclo, entre ciclos sucessivos e em

cada cilindro devido variao da velocidade do pisto, da rea de abertura da vlvula e do

regime no uniforme da entrada de gases. A massa de ar admitida pelo cilindro fortemente

influenciada pelo nvel de presso na admisso durante um curto perodo de tempo antes da

vlvula de admisso fechar [Heywood, 1988]. Quando o fechamento da vlvula de admisso

colocado aps PMI, ou seja, quando existe um atraso de fechamento de vlvula, pode ocorrer

um movimento reverso da carga em direo admisso, proporcionado pelo aumento da

presso com o movimento do pisto e baixa rotao. Por outro lado, nesta mesma situao,

em condies de rotao alta, pode ocorrer um maior enchimento do cilindro devido a efeitos

de inrcia do escoamento. Outro fato que interfere na eficincia volumtrica so as pulsaes

do escoamento em cada cilindro, causadas pelos movimentos de fechamento e abertura de

vlvulas. Essas ondas de presso podem contribuir para aumentar ou diminuir a massa de ar

admitida, dependendo da fase da onda que atinge a vlvula de admisso no momento em que

esta fechada. O aproveitamento desse efeito dinmico no aumento do enchimento do

cilindro denominado de afinao.

A eficincia volumtrica geralmente maior em motores Ciclo Diesel devido ao fato

de este no possuir restrio de borboleta na admisso nem diluio da mistura admitida no

cilindro por combustvel evaporado. Valores mdios tpicos encontrados na literatura so da

ordem de v = 90% para motores Ciclo Diesel com velocidade mdia do pisto de 10 m/s e

19

de v = 80% para motores Ciclo Otto com velocidade mdia do pisto de 8 m/s. [Heywood,

1988].

3.2 Movimento da Carga no Cilindro

Dentre outros parmetros, a formao da mistura em motores de combusto interna

ciclo Otto est relacionada ao escoamento antes e depois de entrar no cilindro. O processo de

admisso e descarga consequncia da geometria do coletor de admisso e de escape, da

geometria da cmara de combusto e da velocidade do motor. Esses parmetros influenciam a

magnitude dos escoamentos secundrios e a intensidade de turbulncia, que atua

significativamente no processo de combusto da mistura ar-combustvel.

O processo de admisso nos motores domina muitos aspectos importantes do

escoamento dentro do cilindro. Em motores de ciclo em quatro tempos, a vlvula de admisso

a rea mnima de passagem, sendo, portanto, a regio onde os gases atingem as mais altas

velocidades. Quando a vlvula abre, o gs entra no cilindro como um jato anular, e as

velocidades radiais e axiais no jato so aproximadamente 10 vezes a velocidade do pisto

[Heywood, 1988]. Na passagem do jato entre a vlvula e sua sede so gerados fortes

gradientes de velocidade que induzem a produo de turbulncia e criam regies de

recirculao na regio entre o cabeote e as paredes do cilindro. A interao do jato de entrada

com a parede produz uma grande regio de circulaes dentro do volume do cilindro que pode

ser visualizada experimentalmente. A Figura 3.2 mostra a analogia feita com gua entrando

em uma mquina com um cilindro e um pisto, fundamentada em conceitos de similaridade.

A vlvula localizada no centro da cabea do cilindro, e o escoamento na vlvula est ao

longo do eixo do cilindro. Os parmetros experimentais foram escalados de forma que os

nmeros adimensionais apropriados que governam o escoamento, nmero de Reynolds e de

Strouhal, fossem mantidos iguais aos valores tpicos de motores. Verificam-se, na Figura 3.2,

as caractersticas principais de entrada do escoamento em um plano iluminado atravs do eixo

do cilindro. As trajetrias das partculas iluminadas so registradas ao longo do tempo por

uma mquina fotogrfica com a objetiva aberta, formando as linhas de corrente. Um grande

vrtice gerado no volume do cilindro cujo centro move-se para baixo e fica entre a vlvula e

a cabea do pisto. No canto superior do cilindro, surge um vrtice menor, que gira na direo

oposta. Esses vrtices persistem at o fim da admisso quando ficam instveis e separam-se

[Heywood, 1988].

20

Figura 3.2 - Vrtices dentro do cilindro durante a entrada. Fotografia das linhas obtidas com gua em uma mquina modelo com axissimetria da vlvula [Heywood, 1988].

Os motores usualmente utilizados apresentam configuraes mais complicadas quanto

ao duto de admisso, posio das vlvulas, n