medição de pressão no coletor de admissão de um motor mono
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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
MEDIÇÃO DE PRESSÃO NO COLETOR DE ADMISSÃO DE UM
MOTOR MONOCILÍNDRICO
Renan Marschner
Canoas
2011
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................3
2. REVISÃO TEÓRICA..........................................................................................................................3
1.2 A INÉRCIA DO GÁS............................................................................................................................6
1.3 SENSOR DE PRESSÃO ABSOLUTA - MAP.........................................................................................7
3. MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................................8
3.1 CALIBRAÇÃO DO SENSOR.................................................................................................................8
4. RESULTADOS...................................................................................................................................11
4.1 CÁLCULO DA ROTAÇÃO DO MOTOR ELÉTRICO...............................................................................11
4.2 CÁLCULO DA VELOCIDADE DO FLUXO...........................................................................................12
4.3 CÁLCULO DA VELOCIDADE DA ONDA DE PRESSÃO.........................................................................13
4.4 CÁLCULO DA PRESSÃO NO CONDUTO DE ADMISSÃO......................................................................14
5. CONCLUSÃO.....................................................................................................................................15
6. REFERÊNCIAS..................................................................................................................................16
1. INTRODUÇÃO
Os movimentos alternativos das válvulas e dos pistões produzem ondas de pressão
através do conduto de admissão de motor combustão interna. Tais ondas podem
adequadamente aumentar a quantidade de massa de ar nos cilindros do motor.
Este trabalho teve como objetivo medir e analisar tais ondas de pressão no conduto de
admissão de um motor monocilíndrico de quatro tempos. As medições foram realizadas
utilizando um sensor de pressão absoluta (MAP) instalado dentro do conduto de admissão do
motor. A partir dos dados coletados buscou-se interpretar as características do fenômeno.
2. REVISÃO TEÓRICA
Morse (1938) foi um dos primeiros a mostrar a influência dos efeitos da produção de
pulsos de pressão nos condutos de admissão ocasionados pelo movimento alternativo das
válvulas de admissão. O aproveitamento de tais flutuações de pressão pode ser usado para o
aumento do rendimento volumétrico dos motores. As grandes variações de volume no cilindro
devido ao movimento do pistão produzem perturbações que, durante a abertura e fechamento
das válvulas de admissão e descarga, propagam-se como ondas de rarefação e compressão ao
longo do conduto.
Ocorrendo o movimento da válvula, cria-se uma compressão na camada vizinha à
válvula, que fica com a pressão ligeiramente maior que a seguinte, expandindo-se contra a
mesma. A camada vizinha, então, ficará mais comprimida que a adjacente, comprimindo-a, e
assim por diante. Este processo de compressões e expansões sucessivas leva um tempo finito,
e, portanto, a “mensagem” da aplicação de uma perturbação de pressão (onda de pressão)
propaga-se com uma velocidade finita denominada “velocidade de propagação da perturbação
da pressão”, igual a velocidade do som (Fig. 1).
Figura 1 – Onda de pressão em função da posição
A onda gerada na abertura da válvula de admissão é chamada de pulso de pressão
negativo (onda de rarefação), enquanto que a onda refletida que viaja em direção à porta da
válvula é denominada onda de compressão. A diferença de pressão resultante entre o pulso
gerado e o refletido determina a pressão efetiva que se traduz em um aumento do rendimento
volumétrico do motor. A forma dos pulsos depende basicamente da posição de fechamento da
válvula de admissão e de sua reflexão, sendo sua amplitude reduzida em cada reflexão
(Hanriot, 2001).
A figura 2 mostra a variação da pressão na porta da válvula ao longo do tempo para
duas revoluções do eixo comando de válvulas, para um motor mono-cilindro com um conduto
reto de admissão de 2 metros de comprimento, com ângulo de permanência da válvula de
admissão de 102,5º, a uma velocidade de rotação do eixo de manivela de 800 rpm. Pode ser
observada a atenuação da propagação dos pulsos de pressão quando a válvula de admissão
encontra-se fechada. A atenuação está relacionada basicamente com o comprimento do tubo,
a rotação, o diâmetro e o número de Reynolds (Hanriot, 2001).
Enquanto o gás possui uma velocidade em direção ao cilindro, a onda de rarefação
produzida se move em direção oposta ao sentido do escoamento do gás. Tal variação de
pressão se apresenta como uma oscilação de pressão de alguma região da massa gasosa. A
velocidade com que esta onda se move é a do som, que para o ar é da ordem de 340 m/s;
muito superior, portanto, à velocidade do gás, que pode atingir valores em torno de 90 m/s
(Heisler, 1995).
Figura 2 - Variação da pressão em função do ciclo (Winterbone, 1999)
Logo, o gás se move a aproximadamente 90 m/s em direção ao cilindro, enquanto a
onda de rarefação se movimenta a 340 m/s, distanciando-se do cilindro. Quando chega à parte
oposta do conduto, a onda de rarefação (depressão) se torna uma onda de compressão
(Hanriot, 2001); a perturbação se propaga agora em direção ao cilindro (no sentido do
escoamento do gás), sob a forma de onda de compressão. Desta forma, uma porção do gás se
aproxima do cilindro na forma de sucessivas e rápidas ondas de pressão. Quando a válvula de
admissão se abre, cria-se uma onda que viaja à velocidade do som no sentido oposto ao
cilindro e posteriormente em direção oposta ao mesmo. Se o comprimento do conduto ou o
regime de rotação são tais que a onda de compressão chega exatamente quando a válvula se
fecha, tem-se o máximo rendimento volumétrico (Fig. 3).
Figura 3 - Variação da pressão em função do tempo para uma rotação do eixo comando de válvulas de 200 rev/min (Fonte:Pereira, 2004).
A onda gerada na abertura da válvula de admissão é chamada de pulso de pressão
negativo (onda de rarefação), enquanto que a onda refletida que viaja em direção à porta da
válvula é denominada onda de compressão. A diferença de pressão resultante entre o pulso
gerado e o refletido determina a pressão efetiva que se traduz em um aumento do rendimento
volumétrico do motor (Hanriot, 2001).
1.2 A inércia do gás
O ar no interior do conduto possui energia cinética (energia de movimento). Este
“conteúdo energético” de ar, se oportunamente aproveitado, pode determinar uma compressão
no interior do cilindro exatamente no momento em que a válvula de admissão se fecha. É
criada assim uma fonte de “sobre-alimentação natural” devido à inércia do gás. O rendimento
volumétrico ηv está relacionado com a capacidade que o motor possui em admitir ar
atmosférico, sendo um parâmetro de medida da eficiência nos processo de admissão do ar. É
definido como sendo a vazão mássica de ar no conduto de admissão pela taxa que o volume
de ar é deslocado pelo pistão (Heywood, 1988):
ηv=2 m
ρaV d N
Onde:
Vd: o volume deslocado pelo pistão (entre PMI e PMS) (m3);
N: rotação do motor (virabrequim) (rev/s);
ρa: a densidade do ar admitido na temperatura de referência (kg/m3);
m: a vazão mássica através do conduto de admissão (kg/s).
1.3 Sensor de Pressão Absoluta - MAP
O sensor de pressão absoluta MAP (Manifold Absolute Pressure) mede a alteração da
pressão no coletor de admissão, que resulta da variação de carga do motor. A unidade de
comando recebe as informações em forma de sinais de tensão, que variam entre 0,5 a 1,0 V
para marcha-lenta (baixa pressão no coletor; vácuo alto), podendo atingir mais de 4,0 V com a
borboleta totalmente aberta (alta pressão no coletor; vácuo baixo).
O elemento sensível contido na peça de plástico é composto de uma ponte de
resistências (ponte de Wheatstone) fixada numa placa de cerâmica muito fina (diafragma) de
forma circular, montada na parte inferior de um suporte de forma anular. Um diafragma
separa as duas câmaras: na câmara inferior lacrada, foi criado o vácuo, enquanto que a câmara
superior está em comunicação direta com o coletor de admissão.
Normalmente, o sensor MAP é ligado à tomada de pressão no coletor através de uma
mangueira de borracha. Este sensor trabalha com uma pequena membrana de cristal do tipo
"piezo-resistivo" que varia sua resistência de acordo com o grau de deformação desta
membrana. Quanto maior for o grau de deformação, maior será a sua resistência e menor será
a tensão recebida pela Unidade de Comando (maior no sensor), que mantém a alimentação
rigorosamente constante (5V). As informações do sensor de pressão absolutas (MAP) são
utilizadas para os cálculos da quantidade de ar admitido (massa de ar) e para o avanço da
ignição (de acordo com a carga do motor).
Figura 4 - MAP e Ponte de Wheatstone.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Calibração do sensor
A calibração do sensor foi realizada utilizando um aspirador de pó elétrico para gerar
uma depressão dentro de um conduto, ao qual estava acoplado o sensor. A variação de pressão
foi medida com uma mangueira contendo água, e os valores foram comparados aos valores de
tensão obtidos pelo sensor MAP. O processo ilustrado nas imagens abaixo, apesar de simples,
mostrou-se bastante eficaz para calibração do sensor, conforme dados apresentados em
seguida.
Figura 5 – Foto do esquema montado para calibração do sensor de pressão absoluta.
Figura 6 – Foto mostrando ligação do sensor e mangueira no conduto.
A partir da calibração foi possível identificar a variação de tensão necessária para
elevar a pressão em um metro de coluna de água. Foram tomadas cinco medidas de pressão e
tensão, as quais estão mostradas no gráfico da figura a seguir. A linearidade apresentada no
gráfico comprova que a calibração foi efetuada corretamente e que o sensor está funcionando
adequadamente.
Figura 7 – Resultado da calibração do sensor.
Também está mostrada no gráfico uma linha de tendência para auxiliar na verificação
da linearidade dos dados medidos. O valor de R-quadrado da linha de tendência calculado
ficou em 0,9996. A linha de tendência é mais confiável quando o valor de R-quadrado é 1 ou
próximo de 1. O valor de R-quadrado, conhecido também como coeficiente de determinação,
é um número de 0 a 1 que revela o grau de correspondência entre os valores estimados para a
linha de tendência e os dados reais.
A partir dos valores medidos foi possível calcular que a variação de 0,01V medida
pelo sensor corresponde a uma variação de pressão de 23,2mmca. Não foi efetuada medição
do tempo de resposta do sensor, pois este dado está contido nas especificações do sensor é a
apropriado para a medição em questão.
4. RESULTADOS
O motor de combustão utilizado foi um Honda, modelo GX35, arrastado por um
motor elétrico. O conduto de admissão do motor possui 400mm de comprimento. O sensor de
pressão absoluta foi fixado dentro do conduto, há uma distância da 100mm da admissão de ar
externo e 200mm do válvula de admissão. O sensor foi ligado a um aquisitor, conectado a um
computador. O aplicativo utilizado para monitoramento e captura dos dados foi o LabView. A
taxa de aquisição foi fixada em 20.000Hz.
Figura 8 - Sinal de pressão medido ao longo do tempo.
4.1 Cálculo da rotação do motor elétrico
A partir dos picos do gráfico foi possível calcular a velocidade de rotação do motor
elétrico que arrastou o motor de combustão interna.
Figura 9 – Tempo medido entre picos de ondas de pressão na admissão.
Para chegar ao valor da rotação foi usado o tempo entre picos mostrado na figura
acima. Este valor foi dividido foi invertido e multiplicado por 2 para chegar na rotação por
segundo. A multiplicação por 2 é necessária pois temos duas revoluções para cada abertura da
válvula de admissão. Por último valor foi multiplicado por 60 para chegar em rotações por
minuto.
rotaçã o= 10,0838 s
×2 ×60=1432 rpm
4.2 Cálculo da velocidade do fluxo
O máximo fluxo de ar que passa através de um motor de aspiração natural pode ser
calculado através da equação abaixo (Heywood,1988) :
Qmax=C . N
K
Onde:
Q max é a máxima vazão volumétrica (m3/s);
C: é a Capacidade do motor (m3);
N é a máxima rotação do motor (rotação/min);
K é igual a 1 para motor de 2 (dois) tempos;
K é igual a 2 para motor de 4 (quatro) tempos.
Sabendo que o volume da câmara de combustão do motor Honda GX35 é de 35cm3 e
utilizando a rotação de 1445rpm calculada no tópico anterior, pode-se chegar na vazão do
fluxo de ar dentro do conduto de admissão:
Qmax=0,000035× 23,87
2=4,18 ×10−4 m3/ s
Conhecida a vazão e sabendo que o diâmetro interno do conduto de admissão é de
10mm, utilizando a equação da continuidade podemos calcular a velocidade do fluxo:
Q=V . A
Onde:
V = Velocidade do fluxo (m/s)
A = Área interna do conduto (m2)
V=QA
=4,18× 10−4
π ×0,0052 =5,32 m /s
4.3 Cálculo da velocidade da onda de pressão
Foram sobrepostas cinco curvas da medição de pressão com o sensor MAP utilizando
o aplicativo Excel. Na perturbação após o fechamento da válvula de admissão foi medido o
tempo entre dois picos da onda, encontrando-se o valor de 0,0052s.
Figura 10 - Sinal de cinco curvas sobrepostas.
A partir do tempo entre picos de onda é possível calcular a velocidade da onda:
V=dt= 0,6 m
0,0052=115,4 m /s
Onde d é o deslocamento percorrido pela onda até o final do conduto de admissão e
retornando até o ponto onde o sensor está posicionado.
4.4 Cálculo da pressão no conduto de admissão
Os picos de pressão podem ser visualizados no gráfico abaixo. A calibração do sensor
foi realizada na pressão atmosférica, portanto o ponto zero do gráfico corresponde ao 1atm. A
variação de pressão das ondas ficou abaixo de 0,1 bar.
Figura 11 – Gráfico com variação de pressão medida pelo sensor.
5. CONCLUSÃO
O valor esperado para a velocidade da onda seria de 340 m/s, que é a velocidade do
som para o ar. No cálculo efetuado foi encontrado o valor de 115,4 m/s. Isto ocorreu pois o
conduto de admissão usado tinha comprimento muito pequeno para realizar a medição em
questão.
Admitindo que a onda de pressão movimenta-se a 340m/s, esta levaria 0,00118s para
percorrer o conduto de admissão. Portanto o fenômeno o sensor poderia captar basicamente
um ponto a cada passagem de onda. A Figura 12 ilustra os pontos possivelmente medidos
pelo sensor.
Figura 12 – Pontos da onda de pressão supostamente medidos pelo sensor.
Para poder caracterizar a onda em questão, seria necessário um sensor que medisse ao
menos 10 pontos em cada onda, tendo, portanto um tempo de resposta elevadíssimo. Um
sensor com tal configuração teria custo muito elevado, ou mesmo teriam que ser utilizados
outros dispositivos para a medição.
Uma solução para realizar somente a medição da velocidade da onda seria utilizar dois
sensores, porém os mesmos precisariam estar distanciados no mínimo 500mm no conduto de
admissão para que a medição permitisse identificar a distância entre as ondas. Utilizando
somente um sensor, o recomendável seria utilizar um conduto com no mínimo 4m de
comprimento, de forma a medir pelo menos 10 pontos entre cada onda de pressão. Além
disso, o sensor deveria ser posicionado na metade do comprimento do conduto de admissão.
6. REFERÊNCIAS
Hanriot, Sérgio. Estudo dos Fenômenos Pulsantes do Escoamento de Ar nos Condutos de Admissão em Motores de Combustão Interna, Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2001.
Hanriot, S.; Valle, R.M.; Medeiros, M.A.F.; Pereira, M.L. Estudo Experimental Do Ressonador De Helmholtz No Coletor De Aspiração De Um Motor De Combustão Interna Alternativo, Águas de Lindóia, SP, 1999.
Heywood, J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.
Heisler, H., 1995, Advanced Engine Technology, London, SAE International.
Winterbone, D. E., e Pearson, R. J., 1999, Design Techniques for Engine Manifolds – Wave action methods for IC engines, USA, SAE International.
Falcão, Carlos. Análise Numérica Comparada a Dados Experimentais de Ondas de Pressão na Admissão de Ar de um Motor de Combustão Interna. Dissertação de Mestrado, PROMEC, UFRGS. Porto Alegre, 2010
Pereira, Vinícius. Análise Experimental da Defasagem de Abertura das Válvulas de Admissão em Motores de Combustão Interna. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, PUC Minas. Belo Horizonte, 2004
Guimarães, Leonardo. Análise de escoamento dinâmico em coletores de admissão de motores de combustão interna com variador de fase. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, PUC Minas. Belo Horizonte, 2008
Morse, P. H., Boden, R. H. e Schecter , H., Acoustic Vibrations and Internal Combustion Engine Performance, Journal of Applied Physics, Vol. 9, January, 1938.