medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA MEDIÇÃO DE PRESSÃO NO COLETOR DE ADMISSÃO DE UM MOTOR MONOCILÍNDRICO Renan Marschner

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Page 1: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

MEDIÇÃO DE PRESSÃO NO COLETOR DE ADMISSÃO DE UM

MOTOR MONOCILÍNDRICO

Renan Marschner

Canoas

2011

Page 2: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................3

2. REVISÃO TEÓRICA..........................................................................................................................3

1.2 A INÉRCIA DO GÁS............................................................................................................................6

1.3 SENSOR DE PRESSÃO ABSOLUTA - MAP.........................................................................................7

3. MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................................8

3.1 CALIBRAÇÃO DO SENSOR.................................................................................................................8

4. RESULTADOS...................................................................................................................................11

4.1 CÁLCULO DA ROTAÇÃO DO MOTOR ELÉTRICO...............................................................................11

4.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE DO FLUXO...........................................................................................12

4.3 CÁLCULO DA VELOCIDADE DA ONDA DE PRESSÃO.........................................................................13

4.4 CÁLCULO DA PRESSÃO NO CONDUTO DE ADMISSÃO......................................................................14

5. CONCLUSÃO.....................................................................................................................................15

6. REFERÊNCIAS..................................................................................................................................16

Page 3: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

1. INTRODUÇÃO

Os movimentos alternativos das válvulas e dos pistões produzem ondas de pressão

através do conduto de admissão de motor combustão interna. Tais ondas podem

adequadamente aumentar a quantidade de massa de ar nos cilindros do motor.

Este trabalho teve como objetivo medir e analisar tais ondas de pressão no conduto de

admissão de um motor monocilíndrico de quatro tempos. As medições foram realizadas

utilizando um sensor de pressão absoluta (MAP) instalado dentro do conduto de admissão do

motor. A partir dos dados coletados buscou-se interpretar as características do fenômeno.

2. REVISÃO TEÓRICA

Morse (1938) foi um dos primeiros a mostrar a influência dos efeitos da produção de

pulsos de pressão nos condutos de admissão ocasionados pelo movimento alternativo das

válvulas de admissão. O aproveitamento de tais flutuações de pressão pode ser usado para o

aumento do rendimento volumétrico dos motores. As grandes variações de volume no cilindro

devido ao movimento do pistão produzem perturbações que, durante a abertura e fechamento

das válvulas de admissão e descarga, propagam-se como ondas de rarefação e compressão ao

longo do conduto.

Ocorrendo o movimento da válvula, cria-se uma compressão na camada vizinha à

válvula, que fica com a pressão ligeiramente maior que a seguinte, expandindo-se contra a

mesma. A camada vizinha, então, ficará mais comprimida que a adjacente, comprimindo-a, e

assim por diante. Este processo de compressões e expansões sucessivas leva um tempo finito,

e, portanto, a “mensagem” da aplicação de uma perturbação de pressão (onda de pressão)

propaga-se com uma velocidade finita denominada “velocidade de propagação da perturbação

da pressão”, igual a velocidade do som (Fig. 1).

Page 4: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Figura 1 – Onda de pressão em função da posição

A onda gerada na abertura da válvula de admissão é chamada de pulso de pressão

negativo (onda de rarefação), enquanto que a onda refletida que viaja em direção à porta da

válvula é denominada onda de compressão. A diferença de pressão resultante entre o pulso

gerado e o refletido determina a pressão efetiva que se traduz em um aumento do rendimento

volumétrico do motor. A forma dos pulsos depende basicamente da posição de fechamento da

válvula de admissão e de sua reflexão, sendo sua amplitude reduzida em cada reflexão

(Hanriot, 2001).

A figura 2 mostra a variação da pressão na porta da válvula ao longo do tempo para

duas revoluções do eixo comando de válvulas, para um motor mono-cilindro com um conduto

reto de admissão de 2 metros de comprimento, com ângulo de permanência da válvula de

admissão de 102,5º, a uma velocidade de rotação do eixo de manivela de 800 rpm. Pode ser

observada a atenuação da propagação dos pulsos de pressão quando a válvula de admissão

encontra-se fechada. A atenuação está relacionada basicamente com o comprimento do tubo,

a rotação, o diâmetro e o número de Reynolds (Hanriot, 2001).

Enquanto o gás possui uma velocidade em direção ao cilindro, a onda de rarefação

produzida se move em direção oposta ao sentido do escoamento do gás. Tal variação de

pressão se apresenta como uma oscilação de pressão de alguma região da massa gasosa. A

velocidade com que esta onda se move é a do som, que para o ar é da ordem de 340 m/s;

muito superior, portanto, à velocidade do gás, que pode atingir valores em torno de 90 m/s

(Heisler, 1995).

Page 5: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Figura 2 - Variação da pressão em função do ciclo (Winterbone, 1999)

Logo, o gás se move a aproximadamente 90 m/s em direção ao cilindro, enquanto a

onda de rarefação se movimenta a 340 m/s, distanciando-se do cilindro. Quando chega à parte

oposta do conduto, a onda de rarefação (depressão) se torna uma onda de compressão

(Hanriot, 2001); a perturbação se propaga agora em direção ao cilindro (no sentido do

escoamento do gás), sob a forma de onda de compressão. Desta forma, uma porção do gás se

aproxima do cilindro na forma de sucessivas e rápidas ondas de pressão. Quando a válvula de

admissão se abre, cria-se uma onda que viaja à velocidade do som no sentido oposto ao

cilindro e posteriormente em direção oposta ao mesmo. Se o comprimento do conduto ou o

regime de rotação são tais que a onda de compressão chega exatamente quando a válvula se

fecha, tem-se o máximo rendimento volumétrico (Fig. 3).

Figura 3 - Variação da pressão em função do tempo para uma rotação do eixo comando de válvulas de 200 rev/min (Fonte:Pereira, 2004).

Page 6: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

A onda gerada na abertura da válvula de admissão é chamada de pulso de pressão

negativo (onda de rarefação), enquanto que a onda refletida que viaja em direção à porta da

válvula é denominada onda de compressão. A diferença de pressão resultante entre o pulso

gerado e o refletido determina a pressão efetiva que se traduz em um aumento do rendimento

volumétrico do motor (Hanriot, 2001).

1.2 A inércia do gás

O ar no interior do conduto possui energia cinética (energia de movimento). Este

“conteúdo energético” de ar, se oportunamente aproveitado, pode determinar uma compressão

no interior do cilindro exatamente no momento em que a válvula de admissão se fecha. É

criada assim uma fonte de “sobre-alimentação natural” devido à inércia do gás. O rendimento

volumétrico ηv está relacionado com a capacidade que o motor possui em admitir ar

atmosférico, sendo um parâmetro de medida da eficiência nos processo de admissão do ar. É

definido como sendo a vazão mássica de ar no conduto de admissão pela taxa que o volume

de ar é deslocado pelo pistão (Heywood, 1988):

ηv=2 m

ρaV d N

Onde:

Vd: o volume deslocado pelo pistão (entre PMI e PMS) (m3);

N: rotação do motor (virabrequim) (rev/s);

ρa: a densidade do ar admitido na temperatura de referência (kg/m3);

m: a vazão mássica através do conduto de admissão (kg/s).

Page 7: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

1.3 Sensor de Pressão Absoluta - MAP

O sensor de pressão absoluta MAP (Manifold Absolute Pressure) mede a alteração da

pressão no coletor de admissão, que resulta da variação de carga do motor. A unidade de

comando recebe as informações em forma de sinais de tensão, que variam entre 0,5 a 1,0 V

para marcha-lenta (baixa pressão no coletor; vácuo alto), podendo atingir mais de 4,0 V com a

borboleta totalmente aberta (alta pressão no coletor; vácuo baixo).

O elemento sensível contido na peça de plástico é composto de uma ponte de

resistências (ponte de Wheatstone) fixada numa placa de cerâmica muito fina (diafragma) de

forma circular, montada na parte inferior de um suporte de forma anular. Um diafragma

separa as duas câmaras: na câmara inferior lacrada, foi criado o vácuo, enquanto que a câmara

superior está em comunicação direta com o coletor de admissão.

Normalmente, o sensor MAP é ligado à tomada de pressão no coletor através de uma

mangueira de borracha. Este sensor trabalha com uma pequena membrana de cristal do tipo

"piezo-resistivo" que varia sua resistência de acordo com o grau de deformação desta

membrana. Quanto maior for o grau de deformação, maior será a sua resistência e menor será

a tensão recebida pela Unidade de Comando (maior no sensor), que mantém a alimentação

rigorosamente constante (5V). As informações do sensor de pressão absolutas (MAP) são

utilizadas para os cálculos da quantidade de ar admitido (massa de ar) e para o avanço da

ignição (de acordo com a carga do motor).

Figura 4 - MAP e Ponte de Wheatstone.

Page 8: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Calibração do sensor

A calibração do sensor foi realizada utilizando um aspirador de pó elétrico para gerar

uma depressão dentro de um conduto, ao qual estava acoplado o sensor. A variação de pressão

foi medida com uma mangueira contendo água, e os valores foram comparados aos valores de

tensão obtidos pelo sensor MAP. O processo ilustrado nas imagens abaixo, apesar de simples,

mostrou-se bastante eficaz para calibração do sensor, conforme dados apresentados em

seguida.

Figura 5 – Foto do esquema montado para calibração do sensor de pressão absoluta.

Page 9: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Figura 6 – Foto mostrando ligação do sensor e mangueira no conduto.

A partir da calibração foi possível identificar a variação de tensão necessária para

elevar a pressão em um metro de coluna de água. Foram tomadas cinco medidas de pressão e

tensão, as quais estão mostradas no gráfico da figura a seguir. A linearidade apresentada no

gráfico comprova que a calibração foi efetuada corretamente e que o sensor está funcionando

adequadamente.

Page 10: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Figura 7 – Resultado da calibração do sensor.

Também está mostrada no gráfico uma linha de tendência para auxiliar na verificação

da linearidade dos dados medidos. O valor de R-quadrado da linha de tendência calculado

ficou em 0,9996. A linha de tendência é mais confiável quando o valor de R-quadrado é 1 ou

próximo de 1. O valor de R-quadrado, conhecido também como coeficiente de determinação,

é um número de 0 a 1 que revela o grau de correspondência entre os valores estimados para a

linha de tendência e os dados reais.

A partir dos valores medidos foi possível calcular que a variação de 0,01V medida

pelo sensor corresponde a uma variação de pressão de 23,2mmca. Não foi efetuada medição

do tempo de resposta do sensor, pois este dado está contido nas especificações do sensor é a

apropriado para a medição em questão.

Page 11: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

4. RESULTADOS

O motor de combustão utilizado foi um Honda, modelo GX35, arrastado por um

motor elétrico. O conduto de admissão do motor possui 400mm de comprimento. O sensor de

pressão absoluta foi fixado dentro do conduto, há uma distância da 100mm da admissão de ar

externo e 200mm do válvula de admissão. O sensor foi ligado a um aquisitor, conectado a um

computador. O aplicativo utilizado para monitoramento e captura dos dados foi o LabView. A

taxa de aquisição foi fixada em 20.000Hz.

Figura 8 - Sinal de pressão medido ao longo do tempo.

4.1 Cálculo da rotação do motor elétrico

A partir dos picos do gráfico foi possível calcular a velocidade de rotação do motor

elétrico que arrastou o motor de combustão interna.

Figura 9 – Tempo medido entre picos de ondas de pressão na admissão.

Page 12: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Para chegar ao valor da rotação foi usado o tempo entre picos mostrado na figura

acima. Este valor foi dividido foi invertido e multiplicado por 2 para chegar na rotação por

segundo. A multiplicação por 2 é necessária pois temos duas revoluções para cada abertura da

válvula de admissão. Por último valor foi multiplicado por 60 para chegar em rotações por

minuto.

rotaçã o= 10,0838 s

×2 ×60=1432 rpm

4.2 Cálculo da velocidade do fluxo

O máximo fluxo de ar que passa através de um motor de aspiração natural pode ser

calculado através da equação abaixo (Heywood,1988) :

Qmax=C . N

K

Onde:

Q max é a máxima vazão volumétrica (m3/s);

C: é a Capacidade do motor (m3);

N é a máxima rotação do motor (rotação/min);

K é igual a 1 para motor de 2 (dois) tempos;

K é igual a 2 para motor de 4 (quatro) tempos.

Sabendo que o volume da câmara de combustão do motor Honda GX35 é de 35cm3 e

utilizando a rotação de 1445rpm calculada no tópico anterior, pode-se chegar na vazão do

fluxo de ar dentro do conduto de admissão:

Qmax=0,000035× 23,87

2=4,18 ×10−4 m3/ s

Page 13: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

Conhecida a vazão e sabendo que o diâmetro interno do conduto de admissão é de

10mm, utilizando a equação da continuidade podemos calcular a velocidade do fluxo:

Q=V . A

Onde:

V = Velocidade do fluxo (m/s)

A = Área interna do conduto (m2)

V=QA

=4,18× 10−4

π ×0,0052 =5,32 m /s

4.3 Cálculo da velocidade da onda de pressão

Foram sobrepostas cinco curvas da medição de pressão com o sensor MAP utilizando

o aplicativo Excel. Na perturbação após o fechamento da válvula de admissão foi medido o

tempo entre dois picos da onda, encontrando-se o valor de 0,0052s.

Figura 10 - Sinal de cinco curvas sobrepostas.

A partir do tempo entre picos de onda é possível calcular a velocidade da onda:

Page 14: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

V=dt= 0,6 m

0,0052=115,4 m /s

Onde d é o deslocamento percorrido pela onda até o final do conduto de admissão e

retornando até o ponto onde o sensor está posicionado.

4.4 Cálculo da pressão no conduto de admissão

Os picos de pressão podem ser visualizados no gráfico abaixo. A calibração do sensor

foi realizada na pressão atmosférica, portanto o ponto zero do gráfico corresponde ao 1atm. A

variação de pressão das ondas ficou abaixo de 0,1 bar.

Figura 11 – Gráfico com variação de pressão medida pelo sensor.

Page 15: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

5. CONCLUSÃO

O valor esperado para a velocidade da onda seria de 340 m/s, que é a velocidade do

som para o ar. No cálculo efetuado foi encontrado o valor de 115,4 m/s. Isto ocorreu pois o

conduto de admissão usado tinha comprimento muito pequeno para realizar a medição em

questão.

Admitindo que a onda de pressão movimenta-se a 340m/s, esta levaria 0,00118s para

percorrer o conduto de admissão. Portanto o fenômeno o sensor poderia captar basicamente

um ponto a cada passagem de onda. A Figura 12 ilustra os pontos possivelmente medidos

pelo sensor.

Figura 12 – Pontos da onda de pressão supostamente medidos pelo sensor.

Para poder caracterizar a onda em questão, seria necessário um sensor que medisse ao

menos 10 pontos em cada onda, tendo, portanto um tempo de resposta elevadíssimo. Um

sensor com tal configuração teria custo muito elevado, ou mesmo teriam que ser utilizados

outros dispositivos para a medição.

Uma solução para realizar somente a medição da velocidade da onda seria utilizar dois

sensores, porém os mesmos precisariam estar distanciados no mínimo 500mm no conduto de

admissão para que a medição permitisse identificar a distância entre as ondas. Utilizando

somente um sensor, o recomendável seria utilizar um conduto com no mínimo 4m de

comprimento, de forma a medir pelo menos 10 pontos entre cada onda de pressão. Além

disso, o sensor deveria ser posicionado na metade do comprimento do conduto de admissão.

Page 16: Medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono

6. REFERÊNCIAS

Hanriot, Sérgio. Estudo dos Fenômenos Pulsantes do Escoamento de Ar nos Condutos de Admissão em Motores de Combustão Interna, Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2001.

Hanriot, S.; Valle, R.M.; Medeiros, M.A.F.; Pereira, M.L. Estudo Experimental Do Ressonador De Helmholtz No Coletor De Aspiração De Um Motor De Combustão Interna Alternativo, Águas de Lindóia, SP, 1999.

Heywood, J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.

Heisler, H., 1995, Advanced Engine Technology, London, SAE International.

Winterbone, D. E., e Pearson, R. J., 1999, Design Techniques for Engine Manifolds – Wave action methods for IC engines, USA, SAE International.

Falcão, Carlos. Análise Numérica Comparada a Dados Experimentais de Ondas de Pressão na Admissão de Ar de um Motor de Combustão Interna. Dissertação de Mestrado, PROMEC, UFRGS. Porto Alegre, 2010

Pereira, Vinícius. Análise Experimental da Defasagem de Abertura das Válvulas de Admissão em Motores de Combustão Interna. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, PUC Minas. Belo Horizonte, 2004

Guimarães, Leonardo. Análise de escoamento dinâmico em coletores de admissão de motores de combustão interna com variador de fase. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, PUC Minas. Belo Horizonte, 2008

Morse, P. H., Boden, R. H. e Schecter , H., Acoustic Vibrations and Internal Combustion Engine Performance, Journal of Applied Physics, Vol. 9, January, 1938.