UNIVERSIDADE DE SO PAULO

NCLEO DE ENGENHARIA TRMICA E FLUDOS

THIAGO ANDR FARIA SIMES

Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de

admisso plstico soldado por vibrao.

SO CARLOS

2010

THIAGO ANDR FARIA SIMES

Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de

admisso plstico soldado por vibrao.

Dissertao apresentada ao Ncleo de Engenharia Trmica e Fludos da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica. rea de Concentrao: Motor de Combusto Interna Orientador: Prof. Dr. Antonio Moreira dos Santos

SO CARLOS

2010

AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

Simes, Thiago Andr Faria S593a Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de

um coletor de admisso plstico soldado por vibrao / Thiago Andr Faria Simes ; orientador Antonio Moreira dos Santos. - So Carlos, 2010.

Dissertao (Mestrado-Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Mecnica e rea de Concentrao em Motor de Combusto Interna) - Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2010.

1. Coletor de admisso. 2. Motor de combusto interna. 3. Desempenho do motor. I. Ttulo.

DEDICATRIA

A Deus

A Daniela Marangoni Simes, minha esposa, com amor, admirao e gratido por

sua compreenso, carinho, presena e apoio ao longo do perodo de elaborao

deste trabalho.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida, sade e sabedoria.

A Daniela minha esposa pelo apoio e compreenso.

Aos familiares e amigos pela compreenso.

Ao Prof. Dr. Antnio Moreira dos Santos, meu orientador, pela ateno e apoio

durante o processo de orientao.

Delphi Automotive Systems do Brasil Ltda, nas pessoas do Sr. Roberto M. Stein e

Wagner Lemmermann, pelo apoio e compresso durante o mestrado.

Faculdade de Engenharia Mecnica da Universidade de So Paulo, pela

oportunidade de realizao do curso de mestrado.

EPGRAFE

Aquele que capaz de fazer infinitamente mais do que tudo o que pedimos ou

pensamos, de acordo com o seu poder que atua em ns, a ele seja a glria na igreja

e em Cristo Jesus, por todas as geraes, para todo o sempre! Amm!

Ef. 3:20

RESUMO

SIMOES, THIAGO A. F. Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de admisso plstico soldado por vibrao. 2010. 131 f. Dissertao (Mestrado) Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade de So Paulo, 2010.

O projeto do coletor de admisso essencial para alcanar o melhor desempenho

de um motor de combusto interna, e, portanto diversos parmetros devem ser

considerados durante o desenvolvimento do mesmo. Por exemplo, uma distribuio

de ar no uniforme conduz a uma eficincia volumtrica no uniforme no cilindro,

perda de potncia e aumento do consumo de combustvel. Por outro lado, as

variaes de presso no coletor de admisso, devido aos efeitos pulsantes no

escoamento do ar podem substancialmente aumentar ou reduzir o desempenho do

motor. Atualmente, no Brasil, a maior parte dos coletores de admisso fabricada a

partir do nylon com fibra de vidro, pois proporciona reduo de peso, reduo de

atrito nos dutos e geometrias internas complexas. Porm, novos fatores se tornam

importante como reduo de integridade estrutural e atender a requisitos de presso

de estouro. Este trabalho apresenta as principais etapas de desenvolvimento de um

coletor de admisso plstico soldado por vibrao. Primeiramente as principais

dimenses do coletor so definidas a partir da simulao unidimensional. A partir

disso, o modelo tridimensional construdo levando em considerao o espao

disponvel no compartimento do motor e aspectos que permitam a injeo e solda

das partes. Em seguida, a geometria interna do coletor otimizada visando diminuir

as perdas de carga aumentando a eficincia volumtrica. A integridade estrutural do

coletor e solda deve ser analisada a fim de atender os requisitos do cliente. Ao

confirmar o desenho do coletor de admisso atravs de testes com peas prottipos,

se inicia a fabricao dos ferramentais de produo.

Palavras chave: Coletor de admisso, Motor de combusto interna, Desempenho do motor.

ABSTRACT

SIMOES, THIAGO A. F. Aspects to be Considered Through the Development of a Plastic Intake Manifold Vibration Welded. 2010. 131 p. Dissertation (Master Degree Engineering Mechanical University, So Paulo University, 2010. Intake manifold project is essential to achieve the best internal combustion engine

performance, and, therefore, several parameters should be considered during it

development. For instance, an uneven air distribution lead to uneven cylinder

volumetric efficiency, power loss and increased fuel consumption. On the other hand,

pressures variations within intake manifold due to air flow transient effects could

substantially increase or decrease the engine performance. Nowadays, in Brazil, the

majority of the intake manifolds are fabricated from nylon with glass fiber which

provides weight reduction, wall friction reduction and complex internal geometries.

However, new factors become important like structural integrity reduction and

withstand to burst pressure. This work presents the mainly development stages of a

plastic intake manifold vibration welded. First, the basic intake manifold dimensions

are defined through one-dimensional simulation. From this, three-dimensional model

is built considering the engine compartment space available and aspects which

allows injection and welding process of manifold shells. Then, intake manifold

internal geometry is optimized to minimize air flow losses, increasing the volumetric

efficiency. Intake manifold structural integrity and welding quality should de evaluated

to withstand customer requirements. Confirming the intake manifold drawing through

tests with prototype parts, production tooling is started.

Keywords: Intake manifold, Internal combustion engine, Engine performance.

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 01. Transmisso da fora aplicada no pisto ao eixo do automvel (Department of the Army, 1985). ................................................................... 24

FIGURA 02. Ciclos de operao de um motor de quatro tempos (HEYWOOD, 1988). ............................................................................................................ 26

FIGURA 03. Esquema do princpio de operao do dinammetro (HEYWOOD, 1988). ............................................................................................................ 29

FIGURA 04. Curva caracterstica de Torque e Potncia (PULKRABEK, 2003). ................ 30

FIGURA 05. Ciclo Otto ideal, 6-1-2-3-4-5-6, representativo dos motores de ignio por centelha. (a) Diagrama de presso versus volume especfico. (b) Diagrama de temperatura versus entropia (PULKRABEK, 2003). ................ 33

FIGURA 06. Eficincia trmica do ciclo Otto para = 1,4 (MORAN e SHAPIRO, 2002). ............................................................................................................ 36

FIGURA 07. Os processos de admisso e exausto em motores de ignio por centelha de quatro tempos: (a) valores mdios da presso de admisso; (b) diagramas vlvulas e presso versus volume; (c) sistema de exausto; (d) presso no cilindro P e levantamento da vlvula em funo do ngulo no eixo de manivelas. Linhas slidas representam o corpo de borboleta na condio de plena carga enquanto linhas tracejadas em condies parciais. Pab e Pdb = Perda de carga antes e depois do corpo de borboletas, respectivamente (HEYWOOD, 1988). ...................................................................................... 38

FIGURA 08. Efeito do vapor de combustvel na presso parcial do ar. Proporo de presso do ar na entrada com a presso da mistura versus taxa de equivalncia para vapor de isooctano, propano, metano, vapor de metanol e hidrognio (HEYWOOD, 1988)..................................................... 44

FIGURA 09. Efeito da razo das presses de Admisso e Exausto na eficincia volumtrica do ciclo ideal (HEYWOOD, 1988). ............................................. 47

FIGURA 10. Perdas de presso no sistema de admisso de um motor de ignio por centelha em regime permanente (HEYWOOD, 1988). ........................... 50

FIGURA 11. Presso no coletor de exausto em funo da carga e velocidade de um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). ............................. 51

FIGURA 12. Presso instantnea no coletor de admisso e exausto de um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). ................................................ 54

FIGURA 13. Eficincia volumtrica pela velocidade mdia do pisto de um motor Diesel e um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). .................. 56

FIGURA 14. Efeitos de diferentes fenmenos do escoamento do ar na eficincia volumtrica do motor em funo da velocidade (HEYWOOD, 1988). ........... 57

FIGURA 15. Coletor de admisso: Dutos e Plenum (Delphi Automotive Systems). ........... 59

FIGURA 16. Curva de penetrao versus tempo representativa das quatro fases do processo de solda por vibrao. Fase I: Atrito do material slido. Fase II: Formao em regime no-permanente da pelcula fundida. Fase III: Formao em regime permanente da pelcula fundida. Fase IV: fase de resfriamento ou solidificao sobre presso, aps movimento de vibrao cessado (Plastics Design Library, 1997)......................................... 66

FIGURA 17. Equipamento de solda vibracional linear (BRANSON)................................... 66

FIGURA 18. Dispositivo de solda. (A) Dispositivo montado. (B) Parte inferior. (C) Parte superior, (Delphi Automotive Systems)................................................ 68

FIGURA 19. Esquema otimizado do perfil de presso para obteno de alta resistncia de solda em curtos perodos de tempo. Um presso inicial alta, p1, diminuda na fase III. A baixa frequncia mantida no perodo de resfriamento (Plastics Design Library, 1997)............................... 70

FIGURA 20. Tipos de cordo de solda (BRANSON). ......................................................... 72

FIGURA 21. Detalhes de um cordo de solda (Plastics Design Library, 1997). ................ 73

FIGURA 22. Esquemas de alinhamento das partes para realizao da solda por vibrao. (a) Alinhamento atravs de abas. (b) Alinhamento atravs de pinos. (c) Alinhamento atravs de abas internas. (BRANSON). ................... 74

FIGURA 23. Mximo ngulo permitido no sentido de vibrao (BRANSON). .................... 74

FIGURA 24. Sentido de solda (BATES et al, 2004)............................................................ 76

FIGURA 25. Imagem de um coletor de admisso. (A) Parte superior. (B) Parte inferior. (C) Torres. (D) Galho de injeo. (E) Entrada circular, (BATES et al, 2004). ................................................................................................... 77

FIGURA 26. Presso de estouro de um coletor de admisso em funo da presso de solda para uma profundidade de solda de 1,5mm (BATES et al, 2004). ............................................................................................................ 78

FIGURA 27. Resistncia da solda em funo da presso de solda para uma profundidade de solda de 1,5mm. (A) Solda Longitudinal. (B) Solda Transversal. (BATES et al, 2004).................................................................. 79

FIGURA 28. Metades de esferas (Kondapalli e Sirani, 2000)............................................. 80

FIGURA 29. Diagrama presso-tempo para um duto de admisso em quatro diferentes velocidades do motor (THOMPSON e ENGLEMAN, 1969)......... 83

FIGURA 30. Etapas do projeto de um coletor de admisso plstico .................................. 83

FIGURA 31. Modelo completo do sistema de admisso, exausto e motor no cdigo GT power (Delphi Automotive Systems). ...................................................... 85

FIGURA 32. Modelo detalhado de um coletor de admisso no cdigo GT power (Delphi Automotive Systems). ....................................................................... 86

FIGURA 33. Comparativo simulao 1D versus resultados em Dinammetro (Delphi Automotive Systems). ................................................................................... 88

FIGURA 34. Definio dos parmetros geomtricos que afetam a sintonia do coletor de admisso, (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ..................................... 91

FIGURA 35. Efeito do comprimento do duto secundrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 92

FIGURA 36. Efeito do comprimento do duto primrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 92

FIGURA 37. Efeito do comprimento do duto na potncia (SODR et al, 2008). ................ 93

FIGURA 38. Efeito do comprimento do duto no torque (SODR et al, 2008)..................... 94

FIGURA 39. Efeito do dimetro do duto secundrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 96

FIGURA 40. Efeito do dimetro do duto primrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 97

FIGURA 41. Configurao dos dutos: (a) rea da seo transversal constante (b) duto cnico (MARIUCCI, 2007). .................................................................... 98

FIGURA 42. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para TAR = 1.5, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007). ............................. 100

FIGURA 43. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para TAR = 2.0, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007). ............................. 101

FIGURA 44. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para diferentes TAR aplicados a 100% do comprimento, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007).......................................................................... 101

FIGURA 45. Sees do duto: quadrada/retangular, circular ou segmentada, respectivamente (HEISLER, 1995). ............................................................ 102

FIGURA 46. Efeito do volume do plenum na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999)..................................................................................... 103

FIGURA 47. Efeito do volume do plenum no torque (HAMILTON e LEE, 2008). ............. 104

FIGURA 48. Efeito do volume do plenum no torque (HAMILTON e LEE, 2008). ............ 105

FIGURA 49. Efeito do volume do plenum na potncia (HAMILTON e LEE, 2008). ......... 106

FIGURA 50. Efeito do volume do plenum na potncia (HAMILTON e LEE, 2008). ......... 107

FIGURA 51. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 0,75m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 109

FIGURA 52. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 1,35m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 110

FIGURA 53. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 1,75m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 110

FIGURA 54. Diferentes curvaturas de duto para um coletor de admisso com as mesmas caractersticas dimensionais: comprimento e dimetro dos dutos e volume do plenum (Delphi Automotive Systems). .......................... 112

FIGURA 55. Resultados experimentais do efeito da curvatura dos dutos no desempenho do motor (Delphi Automotive Systems). ................................ 113

FIGURA 56. Anlise de extrao de ferramenta numa das partes do coletor de admisso (Delphi Automotive Systems)...................................................... 114

FIGURA 57. Anlise de extrao de ferramenta numa das partes do coletor de admisso (Delphi Automotive Systems)...................................................... 115

FIGURA 58. Geometria do sistema plenum-runner genrico (SHAW et al, 2000). .......... 122

FIGURA 59. Efeito do raio de concordncia no campo de velocidades: a) r = 0.0m; b) r = 0.005m c) r = 0.01m (SHAW et al, 2000). ......................................... 123

FIGURA 60. Efeito das protuses e raio de concordncia no campo de velocidades: a) protuso reta; b) protuso com raio de 90 graus c) protuso com raio de 180 graus (SHAW et al, 2000)........................................................ 123

FIGURA 61. a) Coletor de admisso com corpo de borboleta central. b) Volume interno (SAFARI et al, 2003). ...................................................................... 124

FIGURA 62. Vetores de velocidade do escoamento no interior do Plenum (regime permanente duto 1 aberto) (SAFARI et al, 2003). .................................... 125

FIGURA 63. Contornos de presso gerados a partir da anlise CFD (a) Desenho 1 (b) Desenho 2 (Delphi Automotive Systems). ............................................. 127

FIGURA 64. Juno plenum-runner (MARIUCCI et al, 2007)........................................... 128

FIGURA 65. Eficincia volumtrica e potncia para valores de Ri/D = 0,05 e 0,2 (MARIUCCI et al, 2007). ............................................................................. 129

FIGURA 66. Eficincia volumtrica e potncia para valores de Ri/D = 0,5 e 1,0 (MARIUCCI et al, 2007). ............................................................................. 130

FIGURA 67. Modelo de elementos finitos do Plenum estudado (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 132

FIGURA 68. Detalhe da modificao no desenho da solda. (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 133

FIGURA 69. Ressonador de helmholtz (ENGELMAN, 1973). .......................................... 138

FIGURA 70. Cilindro do motor e duto de admisso modelados como um ressonador de Helmholtz (ENGELMAN, 1973). ............................................................. 139

FIGURA 71. Modelo acstico do coletor de admisso (ENGELMAN, 1973). ................... 140

FIGURA 72. Coletor de admisso com variao no comprimento do duto e volume do plenum (Delphi Application Manual)....................................................... 142

FIGURA 73. Coletor de admisso com variao nos comprimentos dos dutos. (a) Comprimento de duto maior (b) Comprimento de duto menor (BOSCH, 2004). .......................................................................................................... 143

LISTA DE TABELAS

TABELA 01 Vantagens/Desvantagens dos principais mtodos para fabricao de um coletor de admisso plstico (CHUUBACHI et al, 2002). ........................ 64

TABELA 02 Propriedades dos materiais utilizados no estudo (Bates et al, 2004)........... 77

TABELA 03 Influncia dos parmetros de solda na resistncia da mesma (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). .................................................................. 80

TABELA 04 Configuraes dos testes realizados para diferentes conicidades dos dutos (MARIUCCI, 2007). ............................................................................. 99

TABELA 05 Comparao da vazo volumtrica para diferentes densidades de malha (CAULFIELD et al, 1999).................................................................. 117

TABELA 06 Comparao da vazo volumtrica para diferentes modelos de turbulncia e funes de parede (CAULFIELD et al, 1999). ....................... 118

TABELA 07 Comparao da vazo volumtrica experimental com clculo computacional - 7kPa (Delphi Automotive Systems)................................... 120

TABELA 08 Dimenses da interface plenum-runner (MARIUCCI et al, 2007). ............. 128

TABELA 09 Modificaes de desenho e resultados encontrados (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 133

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADM. Adimensional

AVA Abertura da vlvula de admisso

AVE Abertura da vlvula de exausto

CAD Desenho assistido por computador

CFD Dinmica dos fludos computacional

CI Ignio por Compresso

DSI Mtodo de Injeo Deslizante

EGR Re-circulao dos gases de exausto

FVA Fechamento da vlvula de admisso

FVE Fechamento da vlvula de exausto

PA Poliamida

PCV Vapor de leo

PMI Ponto morto inferior

PMS Ponto morto superior

PP Polipropileno

PU Poliuretano

SI Ignio por centelha

SLS Estereolitografia

TAR Proporo das reas do cone

LISTA DE SMBOLOS

A rea

AC / Razo ar-combustvel Cm Comprimento c Calor especfico

dC Coeficiente de descarga

D Dimetro Di Distribuio

vE Eficincia volumtrica

tE Eficincia trmica do ciclo Otto

F Fora

nF Freqncia natural

grF Frao de gases residuais

f Freqncia

h Entalpia

K Taxa das freqncias m Massa m& Vazo mssica M Peso molecular n Nmero de rotaes do eixo de manivelas para cada processo de potncia

C Nmero de cilindros

Po Potncia P Presso Pe Permetro Q& Taxa de transferncia de calor

cr Razo de compresso

R~

Constante do ar nas condies atmosfricas padro R Raio To Torque T Temperatura V Velocidade

mximoV Cilindro com maior vazo

mnimoV Cilindro com menor vazo

mdioV Valor mdio da vazo entre os cilindros

dV Volume deslocado

Vo Volume

ex Frao de massa evaporada

Densidade Razo dos calores especficos do fluido Coeficiente de resistncia

SUBSCRITO

a Ar atm Atmosfrica A Depois da evaporao ad Admisso B Antes da evaporao c Combustvel C Cilindro d Deslocado e Escoamento ex Exausto ef Efetivo h Hidrulico i Interface j Componente L Fase lquida m Motor max Mxima n Natural P Pisto Pr Primrio r Ressonncia Se Secundrio S Som V Fase de vapor va Vapor de gua vc Vapor de combustvel 0 Condies atmosfricas externas ao motor 1 Ponto 1

SUMRIO

1. INTRODUO .............................................................................................................21

1.1 - OBJETIVO ...............................................................................................................22

2. REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................................24

2.1 - MOTORES DE COMBUSTO INTERNA .......................................................................24

2.2 CARACTERSTICAS DO MOTOR DE COMBUSTO INTERNA........................................28

2.2.1 Torque ..........................................................................................................28

2.2.2 Potncia .......................................................................................................29

2.3 EFICINCIA VOLUMTRICA......................................................................................31

2.3.1 O ciclo padro de ar Otto ...........................................................................32

2.3.2 Os processos de admisso e exausto em motores de quatro

tempos .......................................................................................................................37

2.3.3 Variveis que influenciam o rendimento volumtrico ..............................40

2.3.4 Efeitos quase-estticos ..............................................................................41

2.3.4.1 Eficincia volumtrica do ciclo padro ar/combustvel ........................41

2.3.4.2 Efeitos da razo ar/combustvel, fase e composio do

combustvel. ..............................................................................................................43

2.3.4.3 Efeitos da frao do combustvel vaporizado, do calor de

vaporizao e da transferncia de calor. ...............................................................45

2.3.4.4 Efeitos da razo de compresso e a razo da presso de

admisso e exausto. ..............................................................................................46

2.3.5 Efeitos dinmicos e quase-estticos combinados ...................................47

2.3.5.1 Perdas por atrito ......................................................................................48

2.3.5.2 Efeito RAM ...............................................................................................52

2.3.5.3 Fluxo reverso na admisso.....................................................................53

2.3.5.4 Sintonia (Tuning)......................................................................................53

2.3.5.5 Efeitos da velocidade, rea da vlvula e do tempo..............................55

3. SUBSDIOS PARA ORIENTAR O DESENVOLVIMENTO DE

COLETORES DE ADMISSO .......................................................................................59

3.1 COLETOR DE ADMISSO ........................................................................................59

3.2 PROCESSO DE SOLDA POR VIBRAO ...................................................................65

3.3 ETAPAS DO PROJETO DE UM COLETOR DE ADMISSO PLSTICO SOLDADO

POR VIBRAO .........................................................................................................81

3.3.1 Simulao 1D ..............................................................................................84

3.3.1.1 Variao no comprimento do duto .........................................................89

3.3.1.2 Variao no dimetro do duto ................................................................95

3.3.1.3 Variao no volume do plenum ............................................................ 102

3.3.2 Construo do Modelo 3D (CAD)............................................................ 108

3.3.3 Processo de injeo ................................................................................. 114

3.3.4 Anlise do fluxo interno no coletor de admisso (CFD)........................ 116

3.3.5 Anlise estrutural ...................................................................................... 131

3.3.6 Prottipo produo. ............................................................................... 134

3.4 CONSIDERAES FINAIS. ..................................................................................... 136

3.4.1 Processo de construo de prottipos SLS e SLA................................ 136

3.4.2 Anlise de rudos. ..................................................................................... 137

3.4.3 Ressonador de Helmholtz....................................................................... 138

3.4.4 Sistemas variveis. ................................................................................... 141

4. CONSIDERAES FINAIS...................................................................................... 144

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................ 146

21

1. INTRODUO

Recentemente, a necessidade de controlar a emisso de poluentes reduzindo

a poluio do ar e a necessidade de melhorar o consumo de combustvel, se

tornaram muito importantes no desenvolvimento de motores de combusto interna.

Os avanos tecnolgicos em novos materiais introduzidos no mercado

permitiram o desenvolvimento de componentes os quais proporcionam reduo de

peso do motor, custo e perdas de calor. Diversos sistemas como comando de

vlvulas varivel, coletor de admisso varivel, injeo direta de combustvel e

estratgias de calibrao tem contribudo significativamente no aumento do

desempenho e reduo do nvel de emisses.

Um bom exemplo o coletor de admisso, que na maioria das aplicaes

atuais fabricado a partir do Nylon com fibra de vidro ao invs de Alumnio,

proporcionando, como por exemplo, reduo de peso, reduo de atrito nos dutos e

geometrias internas complexas. Por outro lado, coletores plsticos apresentam

reduo de integridade estrutural e precisam atender requisitos adicionais como

presso de estouro. Novas tendncias tem surgido na aplicao de novos materiais,

como por exemplo o Polipropileno com fibra de vidro, o qual apresenta uma

densidade aproximadamente 15% menor quando comparada ao Nylon com fibra,

porm com propriedades mecnicas inferiores.

Para atender o requisito de estouro, o projeto do coletor de admisso desde o

material a ser utilizado ao perfil da regio de solda deve ser devidamente estudado.

Os principais parmetros para controle da solda, amplitude e freqncia do

movimento, presso de solda e tempo de solda, tambm precisam ser otimizados

para aumentar a qualidade e resistncia da mesma.

O projeto do coletor de admisso essencial para alcanar o melhor

desempenho de um motor de combusto interna, e, portanto diversos parmetros

devem ser considerados durante o desenvolvimento do mesmo.

Por exemplo, a distribuio do ar no coletor pode ser influenciada pela ordem

do funcionamento dos cilindros e pela maneira como os dutos so conectados no

22

plenum. Por outro lado, o escoamento do ar dentro do cilindro depende da presso

no plenum. Alm disso, as variaes de presso no coletor de admisso, devido aos

efeitos pulsantes no escoamento do ar podem substancialmente afetar o

desempenho do motor (BENSLER, 2002).

Dentro do processo de desenvolvimento diversas etapas devem ser seguidas

como simulao do desempenho de um motor de combusto interna para definio

das principais caractersticas do coletor de admisso, construo do modelo

matemtico, otimizao do fluxo interno, anlise estrutural e construo de

prottipos para testes em dinammetro e veculo com o objetivo de confirmar os

resultados analticos encontrados. Por fim, iniciada a construo do ferramental

definitivo para a produo em srie.

O primeiro captulo apresenta o motor de combusto interna e algumas de

suas principais caractersticas: Torque (Momento de Fora), Potncia e Eficincia

Volumtrica, as quais so diretamente influenciadas pelo projeto do coletor de

admisso.

O segundo captulo iniciado com um breve resumo sobre o coletor de

admisso desde definio, funes, evoluo a processos de fabricao de

coletores plsticos. O segundo tpico enfatiza o processo de solda por vibrao, no

qual se baseia este trabalho. Os demais tpicos apresentam as principais etapas de

fabricao de um coletor de admisso plstico soldado por vibrao.

Finalizando o trabalho, consideraes e sugestes para novas pesquisas

foram levantadas.

1.1 - Objetivo

Esta dissertao tem como objetivo elaborar um estudo geral sobre o

desenvolvimento de coletores de admisso de motores de combusto interna,

visando reunir subsdios para orientar o desenvolvimento de coletores de admisso

plstico soldado por vibrao. Sero realizados estudos analticos correlacionando

s caractersticas de desempenho de motores de combusto interna, caracterizadas

23

por torque e potncia; com a eficincia volumtrica promovida especialmente pelo

processo de admisso. Sero estudadas as etapas de projeto, materiais e processo

de fabricao dos coletores de plstico soldados. Tambm sero analisados

aplicativos computacionais auxiliares no processo de desenho e simulao de

desempenho dos coletores de admisso.

24

2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 - Motores de combusto interna

Motores de combusto interna tm como funo converter energia qumica,

provocada pela combusto da mistura ar/combustvel em energia mecnica, que no

caso do automvel, transferida ao eixo atravs do sistema pisto/biela, Figura 1. O

principal alvo de um motor alcanar o mximo de potncia com grande eficincia.

FIGURA 01. Transmisso da fora aplicada no pisto ao eixo do automvel (Department of the Army,

1985).

Os dois principais tipos de motores de combusto interna normalmente

utilizados nas maiorias das aplicaes em transporte (terra, mar e ar), alm de

gerao de energia, so os motores de ignio por centelha (SI) e motores de

ignio por compresso (CI), onde o aumento de temperatura e presso durante a

compresso suficiente para causar ignio espontnea do combustvel (STONE,

1999).

25

Durante os sculos 18 e 19 existiram numerosas propostas e patentes de

motores de combusto interna, porm apenas a partir de 1860 que o motor de

combusto interna se tornou uma realidade prtica.

Em 1860, Lenoir desenvolveu o primeiro motor de combusto interna para

uso comercial o qual caracterizado por um nico cilindro horizontal. A mistura

ar/combustvel conduzida para dentro do cilindro durante a primeira metade do

ciclo do pisto. A ignio, obtida eletricamente pela centelha, aumenta a presso na

cmara de combusto, produzindo uma fora que movimenta o cilindro para o

segundo ciclo. Em seguida, os gases de exausto so expelidos enquanto a

combusto ocorre do outro lado do pisto. Foi produzida uma quantidade

aproximada de 5000 motores, os quais apresentavam eficincia mxima de 5%.

Aproximadamente seis anos depois Otto e Langen propuseram um motor que

apresentou 50% de reduo no consumo de combustvel comparado ao motor de

Lenoir, contribuindo significativamente no desenvolvimento de motores de

combusto interna. Seu princpio baseava-se na utilizao do aumento de presso

resultante da combusto de mistura ar/combustvel para movimentar o pisto e

rodas, gerando vcuo dentro do cilindro. Cerca de 5000 motores foram produzidos e

apresentavam eficincia de at 11%.

Para superar a deficincia de peso excessivo e baixa eficincia trmica,

Nicolaus A. Otto props em 1876 o primeiro motor composto por quatro tempos,

como mostra a Figura 2:

Admisso: a vlvula de admisso aberta permitindo entrada da mistura

ar/combustvel;

Compresso: com as vlvulas de admisso e exausto fechadas, a

mistura ar/combustvel comprimida seguida da fasca;

Expanso: a alta presso na cmara provoca uma fora no pisto,

movimentando o eixo de manivelas, e, conseqentemente, o eixo do

automvel; e

Exausto: gases gerados na combusto so expelidos da cmara de

combusto.

26

FIGURA 02. Ciclos de operao de um motor de quatro tempos (HEYWOOD, 1988).

A partir disso, diversas concepes de motores e patentes surgiram, como

por exemplo, o motor de dois tempos, introduzido em 1880 pelos engenheiros

Dugald Clerk, James Robson e Karl Benz, onde os processos de admisso e

exausto ocorrem durante o final da combusto e incio da compresso.

Em 1892, o engenheiro Rudolf Diesel, introduziu o conceito de combusto por

compresso que resulta no aumento da temperatura e presso e injeo de

combustvel dentro da cmara de combusto permitindo dobrar a eficincia. Outro

grande avano ocorreu com motor rotacional, introduzido por Felix Wankel em 1957.

O desenvolvimento de novos combustveis tambm contribuiu

significativamente no aumento do desempenho dos motores de combusto interna.

A produo em grande escala de novos combustveis com melhores propriedades

anti-detonao permitiu o crescimento da taxa de compresso, melhorando potncia

e eficincia.

27

Recentemente novos fatores tornaram-se importantes afetando diretamente o

desenvolvimento de novos motores, os quais so: a necessidade de controlar a

emisso de poluentes reduzindo a poluio do ar e a necessidade de melhorar o

consumo de combustvel, (HEYWOOD, 1988). Vale salientar que a legislao para

reduo do nvel de emisses de poluentes foi introduzida em 1970.

Diante deste fato, os avanos tecnolgicos em novos materiais introduzidos

no mercado permitiram a reduo de peso do motor, custo e perdas de calor,

resultando em sistemas mais eficientes. Um bom exemplo o coletor de admisso,

que na maioria das aplicaes atuais fabricado a partir do Nylon com fibra de vidro

ao invs de Alumnio. Outros sistemas como comando de vlvulas varivel, coletor

de admisso varivel, injeo direta de combustvel e estratgias de calibrao tem

contribudo significativamente no aumento do desempenho e reduo do nvel de

emisses.

Sandford et al (2009) apresentou em seu trabalho com o ttulo The All New

AJV8 uma evoluo do motor V8 da marca Jaguar, o qual equipa carros desta

marca como tambm da Land Rover, considerando diversas tecnologias listadas a

seguir:

- Injeo direta na cmara de combustvel para melhor controle do mesmo;

- Quatro variadores contnuos do comando para admisso e exausto,

resultando em nveis altos de re-circulao dos gases de exausto devido

ao largo cruzamento de vlvulas em cargas baixas e mdias do motor;

- Variador de abertura das vlvulas de admisso, otimizado para economia

e torque em baixas rotaes;

- Coletor de admisso varivel, o qual apresenta um comprimento menor

para melhor desempenho em altas rotaes e comprimento maior para

baixas rotaes; e

- Sistema de superalimentao, reduzindo a perda de carga na admisso.

28

2.2 Caractersticas do motor de combusto interna

No estudo do motor de combusto interna alguns parmetros so utilizados

para caracteriz-lo como Torque, Potncia e Eficincia Volumtrica os quais sero

apresentados a seguir.

2.2.1 Torque

Torque definido como sendo a habilidade do motor na realizao de

trabalho e pode ser representado pela equao (01).

CmFTo = (01)

Onde: To = Torque (N.m) ;

F = Fora (N); e

Cm = Comprimento (m).

Normalmente o motor fixado numa bancada e conectado ao rotor do

dinammetro que por sua vez acoplado ao estator de diferentes maneiras,

eletromagneticamente, hidraulicamente ou por atrito mecnico. Assim, o torque

exercido no estator com o rotor girando medido balanceando o estator com pesos,

molas ou meios pneumticos, como mostra a Figura 3.

29

FIGURA 03. Esquema do princpio de operao do dinammetro (HEYWOOD, 1988).

No desenvolvimento de um motor automotivo busca-se uma curva de torque

versus velocidade o mais plano possvel, e alcanar um torque alto para baixas e

altas rotaes (PULKRABEK, 2003).

2.2.2 Potncia

A potncia a taxa na qual o trabalho realizado e pode ser calculada

atravs da equao (02), multiplicando o torque pela velocidade angular:

3102 = ToVPo mpi (02)

Onde: Po = Potncia (kW);

mV = Velocidade do motor (rev/s); e

To = Torque (N.m).

Torque e potncia variam em funo da velocidade do motor, conforme

representado na Figura 04. notado que em baixas rotaes o torque aumenta na

medida em que a velocidade do motor aumenta alcanando um valor mximo, e,

30

posteriormente decresce devido deficincia de enchimento do cilindro em altas

rotaes que ocorre em funo das perdas de carga no sistema de admisso.

FIGURA 04. Curva caracterstica de Torque e Potncia (PULKRABEK, 2003).

Alguns fatores tais como aumentar o volume deslocado do cilindro, presso

mdia efetiva e/ou a velocidade melhoram a potncia, porm resultam no aumento

de massa do motor, sendo contrrio tendncia no desenvolvimento de motores

automotivos. Por esta razo, motores de menor cilindrada so equipados com turbo-

alimentadores e super-alimentadores para aumentar a presso mdia efetiva e por

conseqncia o desempenho dos mesmos.

31

2.3 Eficincia volumtrica

O desempenho de um motor de combusto interna esta diretamente ligado

quantidade de ar admitida, pois mais combustvel pode ser queimado e

conseqentemente mais energia convertida em potncia.

Em termos ideais, para cada ciclo, a massa de ar admitida deveria ser igual a

densidade do ar atmosfrico vezes o volume deslocado do cilindro. Entretanto,

devido s restries de fluxo impostas pelo sistema de admisso de ar (dutos,

coletor de admisso, vlvula de admisso e filtro de ar) e tempo de ciclo pequeno,

uma menor quantidade de ar realmente admitida no cilindro.

Conforme Pulkrabek (2003), a eficincia volumtrica definida como a razo

entre massa de ar admitida multiplicada pelo nmero de voltas por ciclo, pela massa

de ar ideal vezes a rotao do motor:

mda

av

VVo

nmE

0,

.

= (03)

Onde: vE = Eficincia Volumtrica (adm.)

n = Nmero de rotaes do eixo de manivelas para cada processo de

potncia por cilindro (rev/ciclo) (Por exemplo, para motor de

quatro tempos n = 2 e para motor de dois tempos n = 1);

am& = Vazo mssica de ar admitida (kg/min);

0,a = Densidade do ar nas condies atmosfricas externas ao motor

(kg/m3);

dVo = Volume descolado (m3); e

mV = Velocidade do motor (rpm).

Este parmetro de grande importncia no contexto deste trabalho, pois

diretamente influenciado pelo desenho do coletor de admisso.

32

Diversos estudos j foram realizados com o objetivo de verificar o impacto no

projeto de um determinado componente na eficincia volumtrica como, por

exemplo, o trabalho apresentado por Maftouni et al (2006) com o ttulo The effect of

Intake Manifold Runner Length on the Volumetric Efficiency by 3D- CFD Model.

2.3.1 O ciclo padro de ar Otto

Segundo Ferguson e Kirkpatrick (2001) e Moran e Shapiro (2002), o ciclo

padro de ar Otto consiste em quatro processos principais:

- Compresso isentrpica do ar;

- Transferncia de calor a volume constante para o ar, representando a

ignio;

- Expanso isentrpica; e

- Rejeio de calor a volume constante.

Este ciclo considera o ar como um gs ideal com os calores especficos

constantes e tambm trata os processos de compresso e de expanso como

isentrpicos, ou seja, no se consideram os efeitos do atrito nem perdas de calor

(adiabtico).

A Figura 05, extrada de Pulkrabek (2003), mostra o ciclo padro de ar Otto,

representativo de um motor de combusto interna de quatro tempos, normal

aspirado, de ignio por centelha na condio de plena carga.

33

FIGURA 05. Ciclo Otto ideal, 6-1-2-3-4-5-6, representativo dos motores de ignio por centelha. (a)

Diagrama de presso versus volume especfico. (b) Diagrama de temperatura versus

entropia (PULKRABEK, 2003).

Inicialmente o pisto encontra-se no Ponto Morto Superior - PMS (ponto 6), a

vlvula de admisso aberta enquanto que a vlvula de exausto fechada. O

processo de 6 a 1 que corresponde ao movimento do pisto do PMS ao Ponto Morto

Inferior - PMI, resultando na admisso de uma carga de ar presso atmosfrica,

denominado curso de admisso.

Segundo Pulkrabek (2003), esta uma boa aproximao do processo de

admisso de um motor real em regime de plena carga, porm na realidade a

presso ser ligeiramente menor que a atmosfrica devido s perdas de carga no

escoamento dos gases na admisso. Durante a admisso, a temperatura do ar no

ponto 1 da ordem de 25 a 35C maior que a temperatura do ar nos arredores.

Ferguson e Kirkpatrick (2001) explicam que isto ocorre devido mistura dos

gases residuais do ciclo anterior com ar fresco admitido. Este mesmo autor relata

que h trs diferentes simulaes de fluxo para o processo de admisso,

34

dependendo da razo da presso de admisso e exausto. Primeiramente,

considerando a presso de admisso menor do que a presso de exausto, o motor

denominado acelerado, e h um fluxo a partir do cilindro para a vlvula de

admisso, quando esta se abre. Sendo a presso de admisso maior do que a

presso de exausto o motor considerado superalimentado ou turbo-alimentado, e

o fluxo ocorre a partir da vlvula de admisso para o cilindro at o equilbrio das

presses. Por fim, quando as presses de admisso e exausto so iguais o motor

considerado no acelerado. As equaes de conservao de massa e energia

podem ser utilizadas para determinar o estado da combinao dos gases residuais e

mistura ar-combustvel no ponto 1.

Este desenvolvimento resulta na equao 04 apresentada a seguir, extrada

de Ferguson e Kirkpatrick (2001):

( )

+=

1

1111ex

adexgradgr

P

PTFTFT (04)

Onde: 1T = Temperatura no ponto 1 (K);

grF = Frao de gases residuais (adm.);

exad TT , = Temperaturas de admisso e exausto, respectivamente (K);

exad PP , = Presses de admisso e exausto, respectivamente (kPa);

= Razo dos calores especficos do fluido (adm.)

Considerando, por exemplo, grF =0.05, exad PP / =0.5, = 1.35, adT = 320 K e

exT = 1400K, ento a temperatura no ponto 1 ( 1T ) = 365 K.

Quanto o pisto atinge o PMI, a vlvula de admisso fecha e o eixo continua a

girar fazendo com que o ar admitido seja comprimido pelo cilindro, que corresponde

ao curso de compresso isentrpico, representado pelo processo 1 a 2. Esta uma

boa aproximao da compresso de um motor real, exceto pelo cruzamento de

vlvulas. O incio deste processo afetado pelo fechamento incompleto da vlvula

de admisso aps o PMI. Por sua vez, o fim do ciclo afetado pela centelha antes

35

do PMS. Alm do aumento de presso durante este ciclo, h aumento substancial

da temperatura no cilindro.

O processo de 2 a 3 denominado transferncia de calor a volume constante

para o ar, o qual representa a ignio da mistura ar-combustvel de um motor de

combusto real, caracterizado pelo aumento significativo da presso e da

temperatura, que alcanam seus valores mximos. Na combusto de um motor real

este processo inicia-se ligeiramente antes do PMS, alcana velocidade mxima

prximo ao PMS e finalizado um pouco antes do PMS.

Em seguida, o eixo continua a girar devido expanso dos gases, forando o

pisto na direo do PMI, que conseqentemente produz trabalho e potncia para

movimentar o eixo do automvel. Este denominado expanso isentrpica,

representado pelo processo de 3 a 4. Os valores de presso e temperatura no

cilindro diminuem na medida em que este se desloca do PMS para o PMI,

aumentando o volume.

No ciclo de um motor real, prximo ao final do processo de expanso, a

vlvula de exausto aberta e grande quantidade dos gases, resultados da

combusto so expelidos, reduzindo a presso no cilindro presso do coletor de

escape. Grande quantidade da entalpia descartada com os gases de exausto,

limitando a eficincia trmica do motor. No ciclo Otto este processo substitudo

pela reduo da presso a volume constante, processo de 4 a 5, no qual a perda de

entalpia representada pela rejeio de calor.

O ltimo processo caracterstico de um motor de quatro tempos ocorre

quando o pisto movimenta-se do PMI para o PMS, processo 5 a 6, que o ocorre

presso constante de uma atmosfera por causa da vlvula de exausto aberta.

At o final do processo de exausto o motor realizou duas revolues

posicionando novamente o pisto no PMS, com as vlvulas de admisso e exausto

aberta e fechada, respectivamente, para o incio de um novo ciclo.

Ferguson e Kirkpatrick (2001) e Moran e Shapiro (2002) ao descreverem o

ciclo padro de ar Otto no incluem os processos 6-1 e 5-6 na anlise. Isto

justificado, pois termodinamicamente estes processos se cancelam, relata Pulkrabek

(2003).

36

Conforme Ferguson e Kirkpatrick (2001), Moran e Shapiro (2002), Pulkrabek

(2003) e Heywood (1988) a eficincia trmica para o ciclo Otto dada pela equao

(05) a seguir:

1

11

=

c

tr

E (05)

Onde: tE = Eficincia trmica (adm.)

cr = Razo de compresso (adm.)

= Razo dos calores especficos do fluido (adm.)

notado que a eficincia trmica depende exclusivamente da razo de

compresso, pois uma constante. Podemos concluir que a eficincia trmica do

ciclo Otto aumenta com o aumento da razo de compresso, como mostra a Figura

06 extrada de Moran e Shapiro (2002), para = 1,4.

FIGURA 06. Eficincia trmica do ciclo Otto para = 1,4 (MORAN e SHAPIRO, 2002).

37

Dentro deste contexto, diversos estudos tm sido realizados com o intuito de

desenvolver sistemas que variam a razo de compresso de um motor,

proporcionando um aumento na eficincia trmica. Podemos citar como exemplo os

trabalhos publicados por Moteki et al (2003) e Roberts (2003) com os ttulos A Study

of a Variable Compression Ratio System with Multi-Link Mechanism e Benefits e

Challenges of Variable Compression Ratio (VCR), respectivamente.

2.3.2 Os processos de admisso e exausto em motores de quatro

tempos

O objetivo dos processos de admisso e exausto admitir ar fresco e

remover os gases queimados da combusto respectivamente. Conforme dito

anteriormente, a potncia de um motor de combusto interna em uma dada

velocidade proporcional quantidade de ar admitida. O processo de troca de

gases num motor de quatro tempos caracterizado por parmetros como a

eficincia volumtrica. Tais parmetros so dependentes do projeto dos sub-

componentes que compe os sistemas de admisso e exausto, como o caso do

coletor de admisso e do coletor de descarga.

Conforme Heywood (1988), o sistema de admisso de um motor de ignio

por centelha normalmente composto por filtro de ar, um sistema para formao da

mistura (carburao ou injeo), corpo de borboleta, coletor de admisso e vlvulas.

Por sua vez, o sistema de exausto consiste em um coletor de exausto, dutos,

conversor cataltico e um silenciador.

A Figura 7a mostra os valores mdios das presses de admisso para um

motor multicilindrico. Durante o processo de admisso, alm dos componentes que

restringem o fluxo de ar, fatores como a velocidade do motor, rea da seco

transversal por onde o ar passa e sua densidade geram perda de carga causando

deficincia de enchimento do cilindro.

A Figura 7d ilustra o diagrama de abertura das vlvulas de admisso e

exausto, em funo do ngulo do eixo de manivelas. Usualmente a abertura das

38

vlvulas antecipada enquanto que o fechamento postergado, em relao aos

cursos de admisso e exausto correspondentes, para melhorar o esvaziamento e

enchimento do cilindro e tirar proveito da inrcia dos gases nos sistemas de

admisso e exausto.

FIGURA 07. Os processos de admisso e exausto em motores de ignio por centelha de quatro

tempos: (a) valores mdios da presso de admisso; (b) diagramas vlvulas e presso

versus volume; (c) sistema de exausto; (d) presso no cilindro P e levantamento da

vlvula em funo do ngulo no eixo de manivelas. Linhas slidas representam o corpo

de borboleta na condio de plena carga enquanto linhas tracejadas em condies

parciais. Pab e Pdb = Perda de carga antes e depois do corpo de borboletas,

respectivamente (HEYWOOD, 1988).

39

O processo de exausto inicia entre 40 a 60 antes de o pisto atingir o PMI

no ciclo de expanso, expelindo os gases queimados para fora do cilindro devido

diferena de presso entre este e o prprio sistema de exausto. A vlvula de

exausto fecha entre 15 a 30 aps o pisto passar pelo PMS, no incio do ciclo de

admisso.

Por sua vez, a vlvula de admisso abre entre 10 a 20 antes de o pisto

atingir o PMS no final do ciclo de exausto. Tipicamente o fechamento da vlvula de

admisso ocorre entre 50 a 70 aps o pisto passar pelo PMI, no incio do ciclo de

compresso, para proporcionar um maior enchimento do cilindro.

No cruzamento de vlvulas, perodo em que as vlvulas de admisso e

exausto permanecem abertas pode ocorrer um retorno dos gases queimados para

dentro do cilindro ou gases deste para o coletor de admisso. Este evento

denominado fluxo reverso ou backflow e ocorre quando a relao entre a presso

de admisso e a presso de descarga menor que um ( 1/

40

Tabaczynski (1997) comenta sobre a necessidade de melhorar o torque em

baixas velocidades do motor. Veculos menores geralmente tm propores baixas

de potncia versus peso, s eficincias do motor so melhoradas em baixas

rotaes devido ao menor atrito e dirigibilidade que funo do torque em baixas

velocidades. Estes fatores tm conduzido os projetistas de motores a reconhecerem

a grande importncia na melhoria da eficincia volumtrica para proporcionar melhor

desempenho do motor e economia de combustvel.

Embora sistemas mecnicos, conhecidos como turbo-alimentadores e super-

alimentadores, melhoram o enchimento do cilindro forando a entrada do ar,

algumas desvantagens devem ser consideradas. Primeiramente tais sistemas

aumentam o atrito mecnico do motor e em segundo lugar elevam a temperatura do

ar de entrada do motor aumentando a sensibilidade do motor detonao.

O projeto correto dos sistemas de admisso e exausto pode oferecer

benefcios que visam melhorar o torque em baixas e mdias velocidades do motor

mantendo um taxa de compresso adequada com economia de combustvel num

motor de ignio por centelha.

2.3.3 Variveis que influenciam o rendimento volumtrico

A eficincia volumtrica pode ser afetada pelos seguintes parmetros, ao

considerar o combustvel, projeto do motor e variveis durante operao do mesmo:

- Tipo de combustvel;

- Razo ar/combustvel;

- Frao de combustvel vaporizado no sistema de admisso;

- Calor de vaporizao;

- Temperatura da mistura que influenciada pela transferncia de calor;

- Razo entre as presses de exausto e admisso;

41

- Taxa de compresso;

- Velocidade do motor;

- Projeto das interfaces entre cabeote e coletores de admisso e exausto;

e

- Projeto das vlvulas de admisso e exausto incluindo geometria,

tamanho, levantamento e diagrama de distribuio (tempo).

Heywood (1988) destaca que os efeitos da maioria das variveis so de

natureza quase-permanente, isto , seu impacto independente da velocidade e

pode ser descrito em termos da velocidade mdia do motor. Entretanto, alguns

efeitos destas variveis dependem do regime transiente e fenmenos de

propagao de onda que acompanham a natureza da variao temporal dos

processos de troca de gases.

2.3.4 Efeitos quase-estticos

2.3.4.1 Eficincia volumtrica do ciclo padro ar/combustvel

Para o ciclo ideal de um motor de combusto interna por centelha a eficincia

volumtrica por ser representada pela equao (06):

1

0,

0, )1(1

)1(

Vor

r

A

C

Fm

Vo

mE

c

c

a

gr

da

av

+

==

(06)

Sendo m a massa dentro do cilindro no ponto 1 do ciclo:

42

11 TM

RmVoPad = (07)

0,0,0, a

a

aa TM

RP = (08)

+

=

)1()(

11

11

ad

exc

gr

ad

P

Pr

F

T

T (09)

Substituindo as equaes (7), (8) e (9) em (6) tm-se

( )

+

+

= 1

)1(

1

11

10,

0,

ad

ex

cc

c

ad

a

a

ad

a

vP

P

rr

r

A

CT

T

P

P

M

ME (10)

Onde: adP e 0,aP = Presso da mistura na admisso e presso nas condies

exteriores (kPa);

adT e 0,aT = Temperatura de admisso e temperatura nas condies

exteriores (K);

AC / = Razo ar/combustvel (kg/kg);

cr = Razo de compresso (adm.);

exP = Presso de exausto (kPa);

M e aM = Peso molecular do fluido de trabalho no ciclo e peso

molecular do ar atmosfrico (adm.);

= Razo dos calores especficos do fluido (adm.);

grF = Frao de gases residuais (adm.);

R~

= Constante do ar nas condies atmosfricas padro (J/kmol);

dVo = Cilindrada do motor (m3); e

1Vo = Volume do cilindro no ponto 1 (m3).

43

Para ( adex PP / ) = 1, o termo em {} igual a um.

2.3.4.2 Efeitos da razo ar/combustvel, fase e composio do

combustvel.

Nos motores de ignio por centelha, a presena de combustvel gasoso e

vapor de gua no sistema de admisso reduzem a presso do ar abaixo da presso

de mistura. Para misturas de ar ( a ), vapor de gua ( va ), e gases ou vapor de

combustvel ( vc ), a presso no coletor de admisso dada pela soma das presses

parciais de cada componente:

advaadvcadaad PPPP ,,, ++= (11)

Aplicando a lei dos gases tem-se:

1

,1

+

+=

va

a

a

va

vc

a

a

vc

ad

adar

M

M

m

m

M

M

m

m

P

P

&

&

&

& (12)

O fator de correo do vapor de gua usualmente pequeno ( 0,03). A

Figura 08 mostra a variao da presso do ar no coletor de admisso ( adada PP /, ) em

funo da massa de ar ( avc mm && / ) de diversos combustveis comuns.

44

FIGURA 08. Efeito do vapor de combustvel na presso parcial do ar. Proporo de presso do ar na

entrada com a presso da mistura versus taxa de equivalncia para vapor de isooctano,

propano, metano, vapor de metanol e hidrognio (HEYWOOD, 1988).

importante ressaltar que para os combustveis como a gasolina, o efeito

promovido pelo vapor do combustvel pequeno, independente da razo ar-

combustvel. Por outro lado, para os combustveis gasosos e metanol vaporizado, a

eficincia volumtrica reduzida pela presso do combustvel na mistura.

45

2.3.4.3 Efeitos da frao do combustvel vaporizado, do calor de

vaporizao e da transferncia de calor.

Para escoamento com presso constante, combustvel vaporizado e

transferncia de calor, a equao da energia em regime permanente pode ser

escrita como:

( )[ ] ( )BLCCaaAVCCeLCCeaa

hmhmQhmxhmxhm ,,,1 &&&&&& ++=++ (13)

Onde: ex = Frao de massa evaporada (adm.);

am& = Vazo mssica de ar admitida (kg/min);

LCh , = Entalpia do combustvel na fase lquida (kJ/kmol);

VCh , = Entalpia do combustvel na fase de vapor (kJ/kmol);

Q& = Taxa de transferncia de calor (kJ);

A = Antes da evaporao; e

B = Depois da evaporao.

Aproximando-se a variao da entalpia especfica h de cada componente da

mistura por TcP , e com a entalpia de vaporizao VCh , - VLh , = VLCh ,, , tm-se:

LCap

LVCe

a

BA

cA

Cc

hA

Cx

m

Q

TT

:,,

,

+

=&

&

(14)

Onde: AC / = Razo ar/combustvel (kg/kg);

apc , = Calor especfico em presso constante (kJ/kg.K); e

LCc , = Calor especfico do combustvel na fase lquida (kJ/kg.K);

46

O ltimo termo do denominador por ser desprezado desde que LCc :, seja

aproximadamente 2 apc , .

Se no h transferncia de calor atravs das paredes do coletor e a mistura

ar-combustvel, a temperatura da mistura diminui por efeito da evaporao do

combustvel. Para completa evaporao do iso-octano com = 1.0, AT BT = -19C

enquanto que para o metanol nas mesmas condies, AT BT = -128C. Na prtica,

sempre ocorre troca de calor atravs das paredes do coletor e a mistura, portanto

este processo no adiabtico, e o combustvel no completamente vaporizado

antes de entrar no cilindro. Dados experimentais mostram que o decrscimo na

temperatura do ar que acompanha a vaporizao do combustvel lquido mais

significativo do que a reduo da presso parcial do ar devido ao aumento da

quantidade de combustvel vaporizado: para a mesma taxa de aquecimento, a

eficincia volumtrica com a vaporizao do combustvel aumentada em poucos

pontos percentuais.

O efeito na variao da temperatura, medido na entrada no cilindro dado

pelo fator ( 0,aT , adT ), como mostra a equao (10) da eficincia volumtrica para o

ciclo ideal. Dados experimentais revelam que a dependncia da eficincia

volumtrica com a raiz quadrada da razo da temperatura representa de forma

coerente o comportamento de um motor real.

2.3.4.4 Efeitos da razo de compresso e a razo da presso de

admisso e exausto.

A frao do volume de gs residual retido no cilindro do motor varia em

funo da relao entre a presso de admisso e a presso de exausto ( exP / adP ) e

tambm da razo de compresso ( cr ). A eficincia volumtrica diminui com o

aumento do volume de gases residuais. Estes efeitos na eficincia volumtrica do

ciclo ideal so expressos pelos termos {} da equao (10). Esses efeitos para =

1,3 so mostrados na Figura 09.

47

FIGURA 09. Efeito da razo das presses de Admisso e Exausto na eficincia volumtrica do ciclo

ideal (HEYWOOD, 1988).

2.3.5 Efeitos dinmicos e quase-estticos combinados

Foras de atrito, inerciais e presso esto presentes quando o fluxo de gs

atravs de dutos, cmaras, entradas e sadas, vlvulas tratado em regime

transiente. A importncia destas foras depende da velocidade do gs como

tamanho e forma das passagens e suas junes. Durante o desenvolvimento de um

coletor de admisso efeitos quase-permanente e transiente so significantes.

Embora os efeitos da velocidade do motor, projeto dos coletores de admisso

e exausto bem como projeto das vlvulas e passagens estejam interligados, os

48

fenmenos que afetam a eficincia volumtrica podem ser identificados

separadamente:

- Perdas por atrito;

- Efeito RAM;

- Escoamento reverso na admisso; e

- Sintonia (Tuning).

2.3.5.1 Perdas por atrito

Durante o curso de admisso, devido ao atrito em cada componente do

sistema de admisso, a presso no cilindro ( CP ), menor que a presso atmosfrica

( atmP ), por uma quantidade dependente da raiz quadrada da velocidade. A queda

total de presso a soma da perda de presso em cada um dos componentes do

sistema de admisso: filtro de ar, carburador e corpo de borboleta, coletor de

admisso, entrada da vlvula e a prpria vlvula. Cada componente tem sua

porcentagem de contribuio, porm a maior queda de presso dada na vlvula de

admisso. Assim, a presso no cilindro durante o perodo no ciclo de admisso

onde o pisto move perto de sua velocidade mxima pode ser 10 a 20 % menor que

a presso atmosfrica. Para cada componente do sistema de admisso, a equao

de Bernoulli dada por:

2

jjj VP = (15)

Onde: j = Coeficiente de resistncia para cada componente e depende de

sua geometria e velocidade local (adm.);

= Densidade do ar (kg/m3);

49

jV = Velocidade do fluxo (m/s).

Assumindo um fluxo em regime quase-permanente, a velocidade jV esta

relacionada com a velocidade mdia do pisto pV por:

ppjj AVAV = (16)

Onde: jA e pA corresponde respectivamente, a rea mnima de fluxo no

componente e a rea do pisto. Assim, a perda de presso total em regime quase-

permanente devido ao atrito representada por:

2

22

===

j

PjPjjjCatmA

AVVPPP (17)

A equao apresentada acima mostra a importncia de grandes reas de

fluxo nos componentes visando reduzir as perdas por atrito, como tambm a

dependncia dessas perdas com a velocidade do motor.

Um exemplo das perdas de presso devido ao atrito nos componentes do

sistema de admisso: filtro de ar, carburador, corpo de borboleta e regio do plenum

no coletor de admisso, mostrado na Figura 10.

50

FIGURA 10. Perdas de presso no sistema de admisso de um motor de ignio por centelha em

regime permanente (HEYWOOD, 1988).

Testes realizados em regime permanente envolvendo toda a faixa de

velocidade do motor mostram que a perda de presso depende do quadrado da

velocidade.

Por outro lado, as perdas de presso no sistema de exausto so maiores

devido s restries causadas pela vlvula e coletor de exausto, aonde os nveis

de presso so maiores que a presso atmosfrica.

A queda de presso no coletor de exausto em funo do coletor de

admisso (que varia inversamente com a carga) e velocidade do motor ilustrada

51

na Figura 11. Em altas velocidades e cargas, a presso no coletor de exausto

maior que a presso atmosfrica.

FIGURA 11. Presso no coletor de exausto em funo da carga e velocidade de um motor de

ignio por centelha (HEYWOOD, 1988).

52

2.3.5.2 Efeito RAM

Winterbone e Pearson (1999), Heywood (1988) e Bosch (2004) relatam que

durante o ciclo de admisso em cada cilindro a presso no coletor de admisso varia

devido s diferentes velocidades do pisto, variao da rea de abertura da vlvula

de admisso e efeitos transientes no escoamento dos gases resultados destas

variaes de geometria.

A massa de ar admitida no cilindro, que por sua vez proporcional

eficincia volumtrica, totalmente determinada pelo nvel de presso na rea de

passagem do escoamento na vlvula de admisso, durante um curto perodo de

tempo antes do fechamento desta.

Diversos mtodos so empregados no projeto do coletor de admisso visando

forar uma maior quantidade de ar para dentro do cilindro, resultando no aumento da

eficincia volumtrica.

Possivelmente, um mtodo mais comumente utilizado, conforme menciona

Brands (1979), o emprego do efeito RAM (processo de admisso forado) o qual

opera segundo o princpio de Tubo de rgo (conhecido em ingls como organ

pipe).

Em altas velocidades, quando a vlvula de admisso est fechando, a inrcia

do gs no sistema de admisso aumenta a presso na rea de passagem do

escoamento por ela, continuando a encher o cilindro mesmo aps o pisto atingir o

PMI e iniciar o ciclo de compresso. Este efeito aumenta com o crescimento da

velocidade do motor. Normalmente a vlvula de admisso totalmente fechada

entre 40 a 60 aps o pisto atingir o PMI, para melhor aproveitamento do

fenmeno RAM.

53

2.3.5.3 Fluxo reverso na admisso

Normalmente, com o fechamento da vlvula de admisso aps o incio do

ciclo de compresso, pode ocorrer um fluxo reverso de carga fresca para dentro do

coletor de admisso devido ao crescimento da presso no cilindro que causado

pelo movimento do pisto durante a fase final do ciclo de admisso.

Este fenmeno tem maior possibilidade de ocorrer em baixas velocidades do

motor, mas tambm uma conseqncia inevitvel do tempo de fechamento da

vlvula de admisso para aproveitar o efeito RAM em altas velocidades.

2.3.5.4 Sintonia (Tuning)

Winterbone e Pearson (1999), Heywood (1988) e Bosch (2004) destacam que

o escoamento pulsante de cada processo de exausto em cada cilindro, gera ondas

de presso em todo o sistema de exausto. Estas ondas de presso propagam-se,

na velocidade do som, em relao movimentao dos gases de exausto. A

interao destas ondas de presso com o coletor e dutos de exausto causa ondas

de presso que so refletidas para o cilindro do motor. Em motores com diversos

cilindros, as ondas de presso de cada cilindro, transmitidas e refletidas atravs do

sistema de exausto podem interagir com cada cilindro, melhorando ou inibindo o

processo de enchimento do prximo ciclo. Quando estas ondas auxiliam o processo

de exausto, devido reduo das presses depois da vlvula de exausto, o

sistema de exausto denominado sintonizado (conhecido em ingls como

tuning).

Da mesma forma, as variaes no tempo do escoamento no cilindro bem

como a abertura e fechamento da vlvula de admisso, causam ondas de expanso

que so propagadas no coletor de admisso. Estas ondas de expanso podem ser

refletidas para o plenum do coletor de admisso causando ondas de presso

positivas na direo do cilindro. Sintonizando corretamente o tempo destas ondas, a

54

onda presso positiva ir promover um aumento de presso na vlvula de admisso

no final do ciclo de admisso, causando um aumento no enchimento do cilindro.

Assim, o sistema de admisso chamado de sintonizado.

Diversos estudos podem ser encontrados na literatura com, por exemplo, os

trabalhos apresentados por Thompson e Engelman (1969) e Engelman (1973) com

os ttulos The Two Types of Resonance in Intake Tuning e Design of a Tuned Intake

Manifold, respectivamente.

A Figura 12 mostra exemplos, em plena carga, da variao de presso na

admisso e exausto de um motor de combusto interna de quatro cilindros com

ignio por centelha. interessante notar a complexidade deste fenmeno, onde a

amplitude das flutuaes de presso aumenta significativamente com o aumento da

velocidade do motor.

FIGURA 12. Presso instantnea no coletor de admisso e exausto de um motor de ignio por

centelha (HEYWOOD, 1988).

55

2.3.5.5 Efeitos da velocidade, rea da vlvula e do tempo.

Os efeitos do escoamento na eficincia volumtrica dependem da velocidade

da mistura no coletor de admisso, da rea entrada da vlvula e da vlvula

propriamente dita. As velocidades locais, para regime permanente, so iguais s

vazes volumtricas divididas pela rea da seo transversal local. Desde que as

dimenses do sistema de admisso e dimenses da vlvula esto numa escala

aproximada com o dimetro do cilindro, as velocidades no sistema de admisso so

proporcionais s velocidades do pisto, (HEYWOOD, 1988).

Portanto, as eficincias volumtricas em funo da velocidade, para

diferentes motores, podem ser comparadas nas mesmas velocidades mdia do

pisto.

A Figura 13 mostra uma curva tpica da eficincia volumtrica pela velocidade

mdia do pisto para um motor diesel de quatro cilindros com injeo direta e um

motor seis cilindro de ignio por centelha. possvel notar que a eficincia

volumtrica dos motores de ignio por centelha normalmente so inferiores aos

motores diesel devido s perdas de carga no carburador e corpo de borboleta,

aquecimento do coletor de admisso, presena de vapor de combustvel e uma

maior frao de gases residuais no coletor de admisso. O efeito tuning no sistema

de admisso por ser observado na curva da eficincia volumtrica do motor diesel

que apresenta dois picos.

56

FIGURA 13. Eficincia volumtrica pela velocidade mdia do pisto de um motor Diesel e um motor

de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988).

Os efeitos na eficincia volumtrica de cada um dos diferentes fenmenos

descritos anteriormente em funo da velocidade do motor podem ser observados

na Figura 14.

57

FIGURA 14. Efeitos de diferentes fenmenos do escoamento do ar na eficincia volumtrica do

motor em funo da velocidade (HEYWOOD, 1988).

Os efeitos independentes da velocidade como, por exemplo, a presso do

vapor de combustvel reduz a eficincia volumtrica a menos de 100%, (curva A).

Em seguida, a queda da curva A para a B conseqncia das trocas de calor que

ocorrem no coletor de admisso e cilindro. Este efeito maior em baixas

velocidades do motor, pois o tempo de residncia do gs maior. As perdas de

carga devido ao atrito aumentam com o quadrado da velocidade, e so

representadas pela queda da curva B para a C. Em altas velocidades, o escoamento

para o cilindro durante o ltimo estgio do processo de admisso estrangulado

devido ao fechamento da vlvula de admisso. Quando isto ocorre, a eficincia

volumtrica diminui com o aumento da velocidade do motor, representada pelas

curvas C e D. Em altas velocidades, o efeito RAM aumenta a curva D para E. Por

outro lado, o atraso no fechamento da vlvula de admisso, que permite aumentar o

enchimento do cilindro em altas velocidades, promove um decrscimo na eficincia

volumtrica em baixas velocidades do motor devido ao fluxo reverso, conhecido

58

como backflow, representado pelas curvas C, D e F. Por fim, ao utilizar o efeito

tuning na admisso e/ou exausto pode-se aumentar substancialmente a eficincia

volumtrica numa determinada faixa de velocidade do motor, que mostrado nas

curvas F e G.

59

3. SUBSDIOS PARA ORIENTAR O DESENVOLVIMENTO DE

COLETORES DE ADMISSO

3.1 Coletor de Admisso

Como dito anteriormente, o projeto e otimizao dos componentes que

compe o sistema de admisso fundamental para melhorar o desempenho dos

motores de combusto interna.

O coletor de admisso a parte do sistema de admisso que conecta a

tubulao de entrada do ar com o cabeote, e consiste em dutos, os quais so

normalmente denominados runners, conectados a um volume chamado de

plenum, conforme mostra a Figura 15.

FIGURA 15. Coletor de admisso: Dutos e Plenum (Delphi Automotive Systems).

As funes de um coletor de admisso so:

- Atender s restries de espao no compartimento do motor;

- Maximizar as caractersticas de desempenho do motor (Torque e

Potncia);

Plenum

Dutos (Runners)

60

- Prover dispositivos internos para melhorar o desempenho do motor como

tambm o nvel de emisses;

- Atenuar rudos do sistema de admisso;

- Distribuir ar uniformemente para cada cilindro;

- Distribuir vapores de leo, vapores de combustvel, gases de exausto

reaproveitados pela vlvula EGR (Re-circulao dos gases de exausto) e

lquidos uniformemente para cada cilindro;

- Garantir vedao de todas as interfaces com a atmosfera;

- Prover vcuo para acionamento de outros dispositivos como, por exemplo,

sistema de freio; e

- Resistir estruturalmente e funcionalmente s presses e vibraes.

Heisler (1995), ainda destaca outros pontos importantes:

- Garantir dutos com mesmo comprimento;

- Um dimetro mnimo possvel desejvel para garantir uma adequada

velocidade do ar em baixar velocidades do motor sem prejudicar a

eficincia volumtrica para altas velocidades; e

- Garantir o mnimo possvel de restrio ao fluxo devido ao acabamento

interno;

Durante os ltimos anos houve uma grande evoluo em seu processo de

desenvolvimento visando maximizar o desempenho do motor, atender leis

governamentais de emisses de poluentes e por fim garantir preos competitivos no

mercado e melhor durabilidade.

Atualmente com o avano tecnolgico na rea de polmeros, possvel

fabricar um coletor de admisso utilizando Nylon com fibra de vidro ao invs de

Alumnio, obtendo diversas vantagens listadas a seguir:

61

- Reduo de peso;

- Reduo do atrito nos dutos;

- Melhoria no processo de fabricao;

- Reduo da variao dimensional;

- Reduo do custo de fabricao;

- Possibilita geometrias internas complexas;

- Baixa condutividade trmica, a qual melhora a potncia do motor e reduz

problemas de vapor na injeo;

- Possibilita desenvolvimento de sistemas variveis; e

- Melhora a resistncia corroso.

Entretanto, tm-se algumas desvantagens envolvidas neste novo conceito:

- Reduo da integridade estrutural;

- Aumento da transmisso de rudo;

- Processo no vivel para pequenos volumes devido ao alto

investimento;

- Necessita atender requisitos adicionais como presso de estouro;

- Necessita processos adicionais para montagem de insertos e outros

componentes; e

- Processo de solda gera rebarbas e degraus que so obstculos ao fluxo

de ar.

Alm de sua geometria bsica, o coletor de admisso pode integrar diversos

componentes/sistemas:

62

- Corpo de borboleta;

- Galeria de combustvel e injetores;

- Sensor de temperatura e presso;

- Bobina de ignio;

- Vlvula de purga;

- Vlvula EGR;

- Sistemas de partida a frio; e

- Conexo de tomada de vcuo para utilizao em outros sistemas do

veculo como acionamento do freio.

Regulamentaes mais rgidas de emisses foraram a indstria automotiva a

desenvolver motores e sistemas a fim de re-aproveitar poluentes no queimados.

Com isso, o coletor de admisso passou a integrar diversas conexes para re-utilizar

os seguintes fludos constituintes:

- Vapores de leo do Carter (PCV);

- Vapores do tanque de combustvel; e

- Re-circulao dos gases de exausto (EGR).

Diversos mtodos de fabricao de coletores de admisso podem ser

encontrados na literatura, sendo os principais: Ncleo Perdido (Lost Core), Injeo

deslizante (DSI) e Injeo de partes separadas seguida de solda por vibrao.

O mtodo conhecido como Ncleo Perdido baseia-se na construo do

volume interno da pea (Ncleo), a partir de uma liga de metal com baixo ponto de

fuso, que posteriormente colocado numa mquina que realiza a injeo do

plstico formando uma casca sobre este volume interno. Na seqncia, o Ncleo

63

derretido e removido, restando apenas o produto injetado. As desvantagens deste

processo resumem no alto custo de investimento e toxicidade da liga de metal.

Chuubachi et al (2002), estudou o mtodo DSI na fabricao de um coletor de

admisso composto por trs partes. As principais razes que levaram o autor a esta

escolha foram alto custo de investimento do mtodo Lost Core e dificuldades para

fabricao do coletor com partes injetadas soldadas por vibrao, devido

restries na diviso das partes que impossibilitaram a realizao da solda.

O mtodo DSI consiste num processo de injeo integrado utilizando um

ferramental de injeo comum. Primeiramente, as trs partes so injetadas

separadamente e alinhadas dentro do mesmo ferramental. Em seguida, mecanismos

deslocam as partes para unio atravs da sobre-injeo. A construo do

ferramental complexa, pois se faz necessrios dispositivos para movimentar as

partes automaticamente, e deve atender aos requisitos de produtividade e

manuteno.

O terceiro processo difundido mundialmente, e utilizado em grande parte dos

coletores fabricados no Brasil baseia-se na injeo das partes separadamente e

unio das mesmas atravs de solda vibracional.

Este processo, o qual ser apresentado em detalhes no prximo tpico,

caracteriza-se pela aplicao de uma presso em duas partes, sendo que uma

destas vibrada numa determinada freqncia. A energia dissipada pelo atrito e

tenso de cisalhamento viscosa realiza a fuso do polmero na regio da solda.

A Tabela 1 a seguir, extrada de Chuubachi et al (2002), compara as

desvantagens e vantagens dos trs processos apresentados acima.

64

TABELA 01 Vantagens/Desvantagens dos principais mtodos para fabricao de um coletor de

admisso plstico (CHUUBACHI et al, 2002).

Outros processos de fabricao de coletores plsticos so mencionados por

Mukawa, et al (1996), como:

- Mtodo do Core rotativo;

- Mtodo de moldagem por sopro;

- Mtodo combinado: moldagem por sopro e injeo parcial; e

- Mtodo combinado: moldagem por sopro e injeo.

Recentemente outro mtodo foi apresentado por Hickman e Schumacker

(2005), em seu trabalho, com o ttulo Polyamide Intake Manifold Shell Bonding, que

consiste na aplicao de um adesivo para colagem das partes que compe o coletor

de admisso.

DSISolda por vibrao

Lost core

Liberdade da forma do coletor

B-Ex R Ex

Preciso dimensional B B B

Resistncia da solda B B Ex

Investimento em instalaes e mquinas

B-Ex B R

Custo do ferramental R Ex BCiclo do processo de moldagem

R-B Ex B

Operaes ps-moldagem

BB

(solda)

R(remoo do

"core")

(Ex = Excelente ; B = Bom ; R = Regular)

Requisitos de desempenho

Requisitos de custo

Itens de avaliao

65

3.2 Processo de Solda por Vibrao

O processo de solda por vibrao caracterizado pela fuso de duas partes

atravs do calor gerado pelo atrito na interface das mesmas (Designing of Plastics,

2010; Plastics Design Library, 1997; Harper, 2004).

Existem dois tipos de solda por vibrao: linear, mais comumente usado, no

qual o atrito gerado pelo movimento linear (para frente e para trs) e axial/orbital, o

qual consiste na vibrao da parte superior atravs de um movimento circular em

todas as direes, permitindo a solda de peas plsticas com formas irregulares.

Na solda por vibrao linear, as superfcies das partes a serem fundidas so

movimentadas umas contra as outras num movimento linear oscilatrio sob a ao

definida de uma presso aplicada num ngulo de 90 graus do sentido de vibrao.

O processo de solda por vibrao consiste em quatro fases, sendo que na

primeira fase, o calor gerado pelo atrito eleva a temperatura na rea da interface

entre as duas partes at a temperatura de transio vtrea nos termoplsticos ou o

ponto de fuso cristalino dos plsticos semicristalinos. Na segunda fase, o material

na interface comea a derreter fluindo lateralmente aumentado a penetrao da

solda. O calor gerado dissipado no polmero fundido. Na terceira fase, a fuso e o

escoamento alcanam o regime permanente, provocando um aumento linear da

penetrao da solda em funo do tempo. No final desta fase o movimento de

vibrao interrompido e durante a quarta fase h um leve aumento na penetrao

da solda na medida em que a pelcula fundida, sobre presso, solidificada. A

Figura 16 apresenta uma curva representativa da penetrao versus o tempo para

as quatro fases do processo de solda (Plastics Design Library, 1997).

66

FIGURA 16. Curva de penetrao versus tempo representativa das quatro fases do processo de

solda por vibrao. Fase I: Atrito do material slido. Fase II: Formao em regime no-

permanente da pelcula fundida. Fase III: Formao em regime permanente da pelcula

fundida. Fase IV: fase de resfriamento ou solidificao sobre presso, aps movimento

de vibrao cessado (Plastics Design Library, 1997).

As Figuras 17 e 18 mostram equipamentos e dispositivos tpicos de solda por

vibrao de coletores de admisso, respectivamente.

FIGURA 17. Equipamento de solda vibracional linear (BRANSON).

67

(a)

(b)

68

(c)

FIGURA 18. Dispositivo de solda. (A) Dispositivo montado. (B) Parte inferior. (C) Parte superior,

(Delphi Automotive Systems).

Os principais parmetros para controle da solda so amplitude e freqncia

do movimento, presso de solda e tempo de solda.

Normalmente, o tempo de solda est entre 1 a 10 segundos (tipicamente de 1

a 3 segundos), enquanto que o tempo de solidificao, aps o movimento

69

interrompido, varia entre 0.5 a 1.0 segundos, resultando num ciclo total de 6 a 15

segundos.

A maioria dos autores relatam que as freqncias tpicas de solda esto entre

120 a 240 Hz e a amplitude normalmente menor que 5mm. Para produzir uma

solda efetiva, baixas amplitudes (0.7mm a 1.8mm) so utilizadas com altas

freqncias (240 Hz), e altas amplitudes (2mm a 4mm) so utilizadas com baixas

freqncias (100 Hz).

A amplitude e freqncia dependem da geometria das peas a serem

soldadas e devem ser definidas a fim de alcanar a fora mxima de atrito.

Geralmente, altas freqncias so utilizadas quando o espao disponvel

entre as partes restrito, menor que 1.5mm, ou quando as rebarbas so

indesejveis. Para peas suscetveis a flexo, baixas freqncias com maiores

amplitudes so utilizadas, pois inibem este movimento da pea, e ento a solda

pode ser obtida.

Um valor mnimo de amplitude 0.5mm utilizado ao soldar termoplsticos de

alta temperatura a fim de aumentar a componente viscoplstica da deformao. O

comportamento da deformao no plstico importante na converso de energia

mecnica em calor durante a fase II. Apenas a componente viscoplstica da energia

de atrito convertida em calor de forma irreversvel, enquanto que a componente

elstica da energia de deformao reversvel. Em altas amplitudes a componente

viscoplstica da deformao proporcionalmente maior, aumentando o calor na

interface de solda (Plastics Design Library, 1997).

A presso de solda pode variar de 0.5 a 20 MPa, porm normalmente

apresenta valores prximos ao valor mnimo. O tempo de solda por ser reduzido com

o aumento da presso, entretanto, baixas presses proporcionam melhor resistncia

da solda. A resistncia da solda geralmente no suscetvel s variaes de

freqncia e amplitude de vibrao.

Alta resistncia mecnica pode ser obtida em curtos perodos de tempo

atravs do decrscimo da presso durante o ciclo da solda. Usualmente os

equipamentos de solda vibracional so projetados para permitir a variao da

presso durante o ciclo da solda resultando na melhoria da qualidade da solda e

tempos de ciclo reduzidos. A Figura 19 apresenta um esquema otimizado da

70

presso em funo do tempo. Para alcanar a fase III num tempo curto, uma maior

presso requerida, a qual pode ser reduzida nas demais fases proporcionando

uma melhor resistncia da solda. O valor da baixa presso neste processo depende

do material a ser soldado.

FIGURA 19. Esquema otimizado do perfil de presso para obteno de alta resistncia de solda em

curtos perodos de tempo. Uma presso inicial alta, p1, diminuda na fase III. A baixa

frequncia mantida no perodo de resfriamento (Plastics Design Library, 199