ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR...
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ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO
INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR DE
COMBUSTÃO INTERNA SOB
DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS
Marcelo Moura
José Antônio da Silva
Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos (DCTEF), Universidade Federal de
São João del Rei (UFSJ), Praça Frei Orlando, 170, CEP 36307-352, São João Del Rei, MG,
Brasil, e-mail: [email protected]; [email protected]
Felipe Soto Pau
Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia (CIMATEC),
Av. Orlando Gomes, 1845, Piatã, CEP 41650-010, Salvador, Bahia, Brasil, e-mail: [email protected]
Antônio Moreira dos Santos
Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos, Departamento de Engenharia Mecânica,
Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400,
CEP 13566-590, São Carlos, SP, Brasil, e-mail: [email protected]
Resumo
Apresenta-se um estudo do comportamento do sinal de pressão dentro da câmara de combustão de um motor de ignição
por centelha, através da utilização de uma técnica de representação de um ciclo médio obtido, a partir de uma amostragem
de vários ciclos. Comparam-se os resultados com dois modos de obtenção dessa média: a média aritmética simples e a
média com descarte dos ciclos ruins. Os resultados mostram como a adoção desse ciclo médio pode influenciar a análise
de curvas de desempenho do motor, como comportamento da pressão versus rotação e carga, utilizando três tipos
distintos de configurações do comando de abertura das válvulas.
Palavras-chave: motor de ignição por centelha, sinal de pressão, ciclo médio.
Introdução
A observação do comportamento da pressão no
interior do cilindro em relação ao tempo, em motores de
ignição por centelha, mostra substancial variação de ciclo
a ciclo. Essas variações podem ser relatadas unicamente
pelo processo de combustão e o seu desenvolvimento.
Em adição a esse efeito, em cada cilindro podem ocorrer
diferenças significativas no processo de combustão e,
portanto, no desenvolvimento da pressão nos cilindros
de um motor multicilíndrico. Os causadores desse
comportamento podem ser: relação ar/combustível em cada
cilindro e variação da interação entre a mistura fresca e os
gases residuais do ciclo anterior.
As variações do processo de combustão de cilindro
a cilindro e de ciclo para ciclo são importantes por duas
razões. Primeiro, o tempo de ignição ótimo deve ser
escolhido para um ciclo “médio” que minimize perdas
de potência e atinja um resultado eficiente. Segundo,
pelo grau de variação dos ciclos que limitam a operação
do motor. Um ciclo de queima rápida com um tempo de
ignição adiantado favorece a detonação. Assim, um
ciclo de queima rápido determina o grau de octanagem
do combustível e os limites de razão de compressão
para o motor. Por outro lado, ciclos de queimas lentas
com um tempo de ignição atrasado favorecem a combustão
incompleta. Assim, em termos práticos, os ciclos
selecionados se apóiam no limite operacional eficiente
do motor.
Conhecidos esses aspectos, este trabalho usa uma
técnica para representar um ciclo médio a partir de uma
amostragem de vários ciclos, mostrando a repercussão
no funcionamento do motor com relação às curvas
características em diferentes condições operacionais.
Revisão da Literatura
Vários trabalhos acadêmicos utilizam o sinal de
pressão, vindo do interior da câmara de combustão de
um motor, medido através de um indicador piezelétrico.
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324
MOURA ET AL.
Esse sinal, composto de n ciclos completos, mostra
o comportamento da pressão durante cada ciclo, como
mostrado na Figura 1.
Silva (2004) representou todos esses ciclos através
de uma média aritmética das pressões dos n ciclos, obtendo,
assim, uma representação da variação média da pressão
em função do ângulo de manivela (Figura 3).
Ciclos da tabela inicial
80
Média das pressões com todos os pontos
60
50
Pressão (bar)
Pressão (bar)
60
40
20
40
30
20
10
0
0
5.000
10.000
15.000
0
0
Número de pontos amostrados
180
360
540
720
Ângulo de manivela (graus)
Figura 1 Sinal de pressão a 3000 rpm, comando 26718 com
70% de abertura de borboleta, 22 ciclos amostrados.
Observando-se esse sinal percebe-se uma variação
substancial da pressão acontecendo ciclo a ciclo. De acordo
com Heywood (1988), essas variações a cada ciclo no processo
de combustão são causadas, entre outros fatores, pela variação
na quantidade de combustível e ar introduzidos no cilindro
e pela quantidade de gás residual que permanecerá na câmara
após o processo de exaustão. Lukanin (1988) ainda mostra
a variação causada pelo fenômeno da detonação (Figura
2), estudado por Sanches (2002). Esse fenômeno consiste
na autoignição da mistura não queimada, isto é, antes da
passagem na frente da chama, ocasionando liberação
extremamente rápida de grande parte da energia química
contida na mistura, causando pressões locais muito altas e
a propagação de ondas de pressão de grande amplitude
através da câmara de combustão.
Ciclos da tabela inicial
50
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
3200
3400
3600
3800
Número de pontos amostrados
Figura 2 Ciclo com detonação.
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4000
Figura 3 Média aritmética feita com o sinal de pressão a
3000 rpm, comando 26718 com 70% de abertura de borboleta.
Com a média sendo feita dessa forma, porém,
inevitavelmente serão levados em conta ciclos que diferem
significativamente dos demais em razão dos fatores vistos
anteriormente.
Assim, fez-se necessário desenvolver uma ferramenta
computacional que, de posse do sinal de pressão, eliminasse
os ciclos que estivessem em desacordo com os demais e
criasse uma média somente com os ciclos que se encontram
dentro da normalidade, obtendo-se, assim, melhor representação da distribuição de pressões atuante no cilindro.
Isso também nos possibilita analisar a influência de certas
variáveis, como rotação do motor, tipo de comando de
válvula e abertura de borboleta, na variação da pressão
no interior do cilindro.
As instabilidades no processo de combustão são
identificadas como um problema fundamental em motores
de combustão interna. Litak et. al (2006) afirmam que as
mesmas podem acarretar um torque médio efetivo cerca
de 20% menor se compararmos ao gerado em uma combustão
estável.
O reconhecimento e a eliminação dos fatores que
causam essas instabilidades têm sido os principais objetivos
de pesquisadores no último século. Os grandes esforços
nessa área esclareceram vários aspectos referentes às
instabilidades no processo de combustão, mas os problemas
não foram solucionados por completo.
Winsor & Patterson (1973) exploraram os efeitos
da turbulência da mistura no processo de combustão.
Litak et. al (2006) mostraram que a variação do ângulo
de disparo da centelha produz diferentes níveis de flutuação
de pressão máxima e ângulo de manivela onde ocorre a
pressão máxima.
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR...
Trabalhos recentes usaram modelos dinâmicos não
lineares do processo de combustão, como Kantor (1984),
que através de um desses modelos analisou as oscilações
das variáveis do processo de combustão ciclo a ciclo,
incluindo a temperatura.
Metodologia
O motor utilizado nos experimentos ao quais os
dados de pressão se referem foi o GM2-522, álcool 4 cilindros,
2 litros. É o mesmo motor utilizado na tese de Silva (2004)
e na dissertação de Sanches (2002) (Figura 4).
O cabeçote do motor foi perfurado para possibilitar
a medida de pressão no interior da câmara de combustão.
A pressão foi tomada no primeiro cilindro, para facilitar a
325
instalação do sensor, no local mostrado por um círculo na
Figura 5.
O sensor de pressão utilizado foi um piezelétrico
modelo 8 QP 500ca da marca AVL, assim como o sensor
do ponto morto superior (PMS). A bancada de testes
juntamente com os instrumentos utilizados podem ser
observados na Figura 6.
Os dados obtidos pelos sensores foram capturados
por uma placa de aquisição e gravados no computador
no formato de texto (ASCII) para análise posterior.
Neste trabalho foram utilizados dados do motor
funcionando em 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 e 4000
rpm, cada uma com abertura de borboleta de 30%, 50%,
70% e 100%, além de três tipos de comandos de válvulas
diferentes: original, 26718 e 28519.
Figura 4 Bancada utilizada no experimento.
Figura 5 Localização do sensor de pressão.
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MOURA ET AL.
Controle de temperatura
Medida de
pressão e
tempertura
Trocador de calor Trocador de calor
ar-água
água-água
Medida de
consumo de ar
Resfriador
Dinamômetro
Sensor de
torque e
rotação
Medida de
consumo de
combustível
Turbina
Compressor
Computador com placa
Figura 6
Sensor de pressão
Sensor de temperatura
Amplificador de sinal
Terminal de compensação
Representação da bancada de testes do motor juntamente com os instrumentos utilizados.
Para a análise, foi desenvolvido um algoritmo em
ambiente MATLAB, com o nome de projeto_pressao.m,
que lê um dos arquivos de texto obtidos anteriormente
(escolhido pelo usuário) e gera um gráfico com duas curvas:
uma em azul , representando a média aritmética das pressões
de todos os ciclos do motor (MACTP), e a outra em vermelho,
representando uma média das pressões feita apenas com
os ciclos que se encontram dentro da normalidade (MACD).
O algoritmo gera essa segunda curva excluindo ciclos com
pressões variando mais de 20% em relação a um ciclo médio
determinado visualmente pelo usuário para a comparação.
Um exemplo de gráfico gerado pelo algoritmo pode
ser visto na Figura 7, em que foram utilizados os dados
do motor descrito anteriormente funcionando a 1500 rpm,
comando 26718 e abertura de borboleta 100%.
Gráficos de média de pressões
35
MACD
MACTP
30
Pressão (bar)
25
20
15
10
5
0
0
90
180
270
360
450
540
Ângulo de manivela (graus)
630
720
Figura 7 Comparação das curvas das médias de pressão.
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Análise dos Resultados
Influência do comando no desvio entre as médias
Analisando o comportamento das médias de pressões
para cada comando percebe-se um aumento do índice do
desvio entre a média aritmética com descarte e a média
com todos os pontos à medida que a rotação aumenta. A
Figura 8 mostra esses índices para o comando 26718 com
abertura de 50%, do valor mínimo, 1,08%, com 1500 rpm
ao máximo, 10,08%, para 3500 rpm.
Esse comportamento pode ser explicado pelo fato
de que em rotações elevadas os níveis de pressão são
maiores e um mau funcionamento do motor causa o
aparecimento de ciclos anormais que têm valores bem
menores de pressão, e esses, quando computados na
média aritmética com todos os pontos (MACTP), provocam
diminuição do valor da mesma, tornando-a, portanto, menor
em relação à média aritmética com descarte (MACD).
Todos os comandos também apresentaram elevações
do desvio entre as médias quando se aumentou a rotação,
porém, notamos melhor desempenho do comando 28519
em rotações maiores se comparado ao 26718 e ao original,
como pode ser visto através dos dados coletados a 3000
rpm apresentados na Figura 9.
Esse menor desvio entre as médias para o comando
28519 ocorre pelo fato de esse comando fazer com que a
válvula de admissão fique aberta por um tempo maior,
possibilitando melhor abastecimento do cilindro e,
consequentemente, maior estabilidade de funcionamento
do motor, que pode ser claramente percebida ao compararmos
o número de ciclos anormais excluídos na formação da
média com descarte para cada tipo de comando: enquanto
o 26718 e o original apresentaram 15 e 14 ciclos anormais,
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR...
respectivamente, o comando 28519 apresentou apenas
seis nessas condições.
Durante a aquisição dos dados, para rotações acima
de 3500 rpm o motor apresentou-se bastante instável quando
equipado com o comando 26718, exaltando o mau desempenho do mesmo para altas rotações se comparado com
os outros estudados.
Excetuando-se o comando original que a 50% de
abertura de borboleta apresentou grande instabilidade,
observamos, pela Tabela 1, que, para os comandos estudados,
à medida que se aumenta a abertura de borboleta, ocorre
maior desvio entre a média com todos os pontos e com o
descarte.
Esse comportamento poderia ser explicado pelo fato
de que, ao se aumentar a abertura de borboleta, eleva-se a
vazão de ar e combustível para o interior do cilindro,
acarretando maior turbulência no interior do mesmo e,
consequentemente, aumentando a probabilidade de ocorrer
combustão não uniforme.
Influência da abertura de borboleta no desvio entre as médias
Para verificar o efeito da abertura de borboleta nas
curvas de pressão para cada tipo de comando de válvula,
fixou-se uma rotação de 1500 rpm.
1500 rpm – variação: 1,08%
40
10
0
30
20
10
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
2500 rpm – variação: 2,79%
80
50
40
30
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
3000 rpm – variação: 6,72%
MACD
MACTP
40
Pressão (bar)
60
0
50
MACD
MACTP
70
Pressão (bar)
MACD
MACTP
40
Pressão (bar)
Pressão (bar)
20
2000 rpm – variação: 1,75%
50
MACD
MACTP
30
327
20
30
20
10
10
0
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
3500 rpm – variação: 10,08%
50
MACD
MACTP
40
Pressão (bar)
0
30
20
10
0
–10
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
Figura 8 Variação entre as curvas médias de pressão para o comando 26718 em várias rotações.
Minerva, 5(3): 323-329
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MOURA ET AL.
50
(a)
Pressão (bar)
40
MACD
MACTP
30
20
10
0
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
60
(b)
Pressão (bar)
50
MACD
MACTP
40
30
20
10
0
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
35
(c)
Pressão (bar)
30
MACD
MACTP
25
20
15
10
5
0
90 180 270 360 450 540 630 720
Ângulo de manivela (graus)
Figura 9 Comparação entre as médias de pressão para cada tipo de comando a 3000 rpm. (a) Comando 26718: desvio de 6,72%, 15
ciclos excluídos. (b) Comando original: desvio de 4,13%, 14 ciclos excluídos. (c) Comando 28519: desvio de 0,29%, 6 ciclos excluídos.
Tabela 1 Influência da abertura de borboleta no sinal de pressão a 1500 rpm.
Tipos de comando de
válvula
26718
Original
28519
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Abertura de borboleta Desvio entre as médias
No de ciclos anormais
excluídos
30%
0,53%
4
50%
1,08%
5
70%
1,59%
6
100%
3,24%
6
30%
0,37%
4
50%
6,25%
10
70%
0,59%
6
100%
0,61%
6
30%
0,68%
4
50%
0,88%
5
70%
0,93%
5
100%
1,06%
6
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR...
Conclusões
Fazendo uma análise dos gráficos gerados pelo
algoritmo, percebeu-se que um aumento da rotação causa
aumento do índice de desvio entre as médias e que, quando
equipado com o comando 28519, o motor apresentou menor
quantidade de ciclos anormais para altas rotações e, assim,
obteve índices de desvio bem menores que os outros
comandos avaliados.
Com relação à abertura de borboleta, constatamos
a elevação do desvio entre as médias ao aumentarmos a
quantidade de carga para qualquer que seja a rotação.
Feito esses estudos, conclui-se que a quantificação
da influência dessas variáveis durante o funcionamento
do motor permite-nos conseguir uma configuração mais
adequada do mesmo para cada tipo de aplicação, resultando,
assim, em melhor desempenho.
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