Estudo da Dinâmica das Válvulas e Desempenho dos Coletores de Admissão e de Escape de um Motor de Combustão

Resumo
Quanto maior for à admissão de ar atmosférico no motor de combustão interna, maior será sua eficiência, contudo o objetivo deste estudo foi avaliar a dinâmica da abertura e fechamento das válvulas e a geometria dos coletores de admissão e escape, pois um melhor arranjo destes componentes influencia significativo o enchimento do cilindro. A metodologia empregada foi uma busca iterativa, em que diversas simulações foram realizadas chegando a resultados parciais, sendo os mesmos usados nas iterações consecutivas até o resultado final. Isto foi possível com o auxílio do Software Lotus Engine Simulation. A solução numérica aconteceu com a resolução das equações de conservação, tais como, quantidade de energia, massa e movimento. Levou-se em consideração na análise da eficiência do motor as variações instantâneas das propriedades dos gases nos coletores de entrada e saída, assim como a transferência de calor no interior dos cilindros. Foi analisado o comportamento dos pulsos de alta pressão e a ressonância devido aos fenômenos acústicos do coletor de admissão em conjunto com o tempo de abertura e fechamento das válvulas. Os resultados mostraram que, para incrementar a eficiência volumétrica no motor simulado, a válvula de admissão deve abrir a 23° antes do ponto morto superior e a 55° para o fechamento após o ponto morto inferior, com relação à válvula de escape, são necessários 41° antes do ponto morto inferior para a sua abertura e de 31° para o fechamento após o ponto morto superior. Para o ideal sincronismo com as válvulas, as tubulações devem possuir 500 mm e 31 mm para o comprimento e diâmetro no escape e 350 mm e 39 mm respectivamente para o comprimento e diâmetro na admissão. Ao comparar com o resultado final após a interação dos coletores com as válvulas, foi constatado que ocorreu um aumento de 11,5% da potência máxima e, referente ao torque, melhorou em 6,3%. Quanto à eficiência volumétrica, também se incidiu um ganho em seu valor em quase todo o regime de rotações do motor para a nova configuração de abertura e fechamento das válvulas. O modelo numérico utilizado foi confrontado com uma simulação experimental, e se mostrou coerente. Conclui-se que o condicionamento obtido das geometrias das tubulações e perfil dos movimentos das válvulas garantiu o sincronismo do sistema, estimulando desta forma, o enchimento dos cilindros e consequentemente ganhos no torque, potência e consumo de combustível, evidenciando a importância dos estudos e investimentos nesta área.

Lista de Símbolos

Pe – potencia efetiva;
Pi – potencia indicada;
𝑝𝑓 – perdas mecânicas;
pci – poder calorifico inferior;
F – relação combustível-ar estequiométrica;
ηt – rendimento ou eficiência térmica do motor;
ṁa – vazão mássica de ar seco que escoa para o interior dos cilindros;
ηv – eficiência volumétrica;
ṁe – vazão mássica de mistura que entra nos cilindros;
Vcilindros – cilindrada total do motor;
ρe – massa específica do ar que entra nos cilindros;
n – rotação do motor;
ρatm – massa específica do ar atmosfera;
ρa – massa especifica de ar seco;
pa – pressão da mistura fresca;
Ta – temperatura da mistura fresca;
Fv – relação combustível-ar total;
𝑝𝐴 – pressão de admissão;
pE – pressão de escape;
𝑇𝑅 – temperatura dos gases residuais;
ηVi – eficiência volumétrica ideal;
𝑟 – taxa de compressão do motor;
k – relação CP CV ;
CP – Calor específico à pressão constante;
CV – Calor específico a volume constante;
𝑍𝑚𝑜𝑑 – Mach Modificado.
Z – índice de Mach;
Va – velocidade do gás de admissão;
c – velocidade do som;
Vv – velocidade média;
Vp – Velocidade média do pistão;
Ap – área do pistão;
Av – área da abertura da válvula de admissão;
λ – frequência;
L – comprimento do tubo;
t – tempo para a onda ir e voltar dentro da tubulação de admissão;
P – pressão ao longo da linha de corrente;
v – velocidade do fluido na seção considerada;
ρ – massa específica do fluido;
g – aceleração gravitacional;
h – altura na direção da gravidade desde uma cota de referência;
𝑉𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 – volume da câmara do plenum;
𝐴𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 – área de entrada do plenum;
θt – deslocamento angular do virabrequim;
𝐴𝑛 – curso da válvula;
𝜑 – ângulo do eixo virabrequim;
𝑍𝑑 – Deslocamento do pistão;
𝑉𝑛 – velocidade da válvula;
𝑎𝑛 – aceleração da válvula;
ω – ângulo da rotação da árvore de cames;
η′v – massa retida;
ηf – massa fornecida;
r𝑟 – eficiência de retenção;
F′ – relação combustível/ar na combustão;
ηvb – eficiência volumétrica básica;
𝑍ℎ - desnível do escoamento.
𝑑 - menor diâmetro na constrição.
𝐷 - maior diâmetro antes da constrição.
𝛽 - razão 𝑑 𝐷 para a constrição.
𝐶𝑑 - coeficiente de descarga.
𝐶𝐷𝐼 - coeficiente de descarga instantâneo.
𝑃𝑜𝑢𝑡 - pressão de saída.
𝑃0 - pressão na entrada.
𝑅 - constante universal dos gás ar.
𝑇0 - temperatura de admissão.
𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 – massa específica do combustível.
𝐹𝑉 - razão ar/combustível.
𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 - consumo específico de combustível.
ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏 - vazão mássica do combustível.
𝐻𝑓 - calor da combustão.
ɳ𝑡 - eficiência térmica.
𝑝𝑐𝑖 - poder calorífico inferior.
Ẇ - potência nominal.
𝑃𝑛 - pressão efetiva média (BMEP).
𝐴 - área de seção transversal.
𝜌 - massa específica.
𝐴 - área transversal do fluxo.
𝑢 - velocidade no instante.
𝑓 - coeficiente de atrito na superfície.
𝐷 - diâmetro equivalente.
𝑒0 - energia interna.
ℎ0- coeficiente de transferência de calor.
𝑞 - fluxo de calor entre o gás e as paredes.

                                              Sumário
1. INTRODUÇÃO ............................................................................... 18
2. OBJETIVO .................................................................................... 20
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................... 22
3.1 Parâmetros fundamentais do motor ................................................ 22
3.2 Processo de admissão ................................................................... 23
3.2.1 Eficiência volumétrica ................................................................. 23
3.2.1.1 Processo de admissão ideal ...................................................... 30
3.3 Escoamento através dos dutos de admissão ..................................... 35
3.3.1 Velocidade do escoamento .......................................................... 35
3.3.2 Consumo específico .................................................................... 38
3.3.3 Coletores de admissão ................................................................ 39
3.3.4 Efeito

                           Lista de Abreviaturas e Siglas

PMS – Ponto Morto Superior
PMI – Ponto Morto Inferior
LES – (Lotus Engine Simulation)
BMEP – (Brake Mean Effective Pressure) Pressão Média Efetiva
BSFC – (Brake Specific Fuel Consumption) Consumo Médio Específico
DOHC – (Double Overhead Camshaft) Dois Comandos de Válvulas
ECU – (Eletronic Control Unit) Unidade Central Eletrônica
GDI – (Gasoline direct injection) Injeção Direta de Combustível
VHC – (Very High Compression) Compressão Muito Alta
IMEP – (In Mean Effective Pressure) Pressão Média Índicada
MIE – Motores de Ignição Espontânea
MIF – Motores de Ignição por Faísca
MSI – (Multpoint System Injection) Injeção Multi Ponto
NA – (Natural Aspiration) Aspiração Natural
OHV – (Over Head Valves) Comando de Válvulas por Varetas
PFI – (Port Fuel Injection) Injeção Indireta de Combustível
RPM – Rotação por Minuto
SOHC ou OHC – (Overhead Camshaft) Um Comando de Válvula
TDC – (Top Dead Center) Ponto Morto Superior

                                     Sumário

1. INTRODUÇÃO ................................................................................. 18
2. OBJETIVO ...................................................................................... 20
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................. 22
3.1 Parâmetros fundamentais do motor ................................................. 22
3.2 Processo de admissão..................................................................... 23
3.2.1 Eficiência volumétrica .................................................................. 23
3.2.1.1 Processo de admissão ideal........................................................ 30
3.3 Escoamento através dos dutos de admissão....................................... 35
3.3.1 Velocidade do escoamento............................................................ 35
3.3.2 Consumo específico..................................................................... 38
3.3.3 Coletores de admissão................................................................. 39
3.3.4 Efeito do comprimento e diâmetro dos........................................... 40
3.3.5 Efeitos do volume do Plenum ....................................................... 46
3.4 Escoamento através dos dutos de exaustão....................................... 47
3.5 Válvulas de admissão e de escape.................................................... 50
3.5.1 Comando de válvula.................................................................... 50
3.5.2 Carga térmica das válvulas .......................................................... 54
3.5.3 Movimento das válvulas .............................................................. 58
3.5.4 Diâmetro das válvulas e formato da câmara de combustão............... 62
3.5.5 Efeitos do cruzamento de válvulas - overlap .................................. 63
3.5.6 Efeitos do fechamento da válvula de admissão ............................... 66
3.6 Taxa de compressão...................................................................... 66
3.6.1 Limitações da Taxa de Compressão............................................... 68
3.7 Tempo do início da ignição do combustível........................................ 69
4. METODOLOGIA E RESTRIÇÕES ......................................................... 72
4.1 O software lotus engine simulation - LES .......................................... 72
4.2 Simulação paramétrica dos tubos de admissão e escape ..................... 74
4.3 Simulação paramétrica das válvulas de admissão e escape .................. 76
4.4 Motores e condições de operação...................................................... 77
4.5 Modelo numérico ........................................................................... 84
5. VALIDAÇÃO DO LES ......................................................................... 90
5.1 Realização do ensaio experimental ................................................... 90
5.1.1 Calculando as curvas características do motor ................................. 91
5.2 Simulação numérica do motor .......................................................... 97
5.2.1 Confrontando os resultados experimentais e simulados..................... 100
6. SIMULAÇÕES E RESULTADOS ............................................................ 108
6.1 Simulações paramétricas dos dutos .................................................. 108
6.1.1 Dimensionamento dos dutos de escape .......................................... 111
6.1.2 Dimensionamento dos dutos de admissão....................................... 115
6.1.3 Avaliação dos resultados do aperfeiçoamento dos dutos.................... 119
6.2 Simulações paramétricas das válvulas .............................................. 130
6.2.1 Resultado das três primeiras simulações paramétricas...................... 134
6.2.2 Avaliação dos resultados das três primeiras simulações paramétricas.. 139
6.2.3 Resultado da vigésima primeira simulação paramétrica.......................143
6.2.3.1 Avaliação dos resultados após a vigésima 1º simulação paramétrica..155
6.3 Discussões dos resultados................................................................ 164
7. CONCLUSÃO .................................................................................... 169
8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................. 172
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................... 173

1. INTRODUÇÃO
O Brasil estabeleceu a Política Nacional sobre a Mudança do Clima (PNMC), por meio da Lei no 12.187/2009 que determina o compromisso de adotar ações para reduzir sua emissão de gases de efeito estufa entre 36,1% e 38,9% em relação às previsões de 2020. Em 2012, o setor de transportes leves foi responsável por 33% das emissões do país, (BRASIL, 2012). A crescente restrição de emissões de poluentes devido a normas ambientais mais rigorosas, que no Brasil é conhecida como Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE, 2009), faz com que a melhora da eficiência dos motores de combustão interna seja questão de sobrevivência da indústria automobilística.
Dentro deste contexto, um dos objetivos dos novos projetos de motores de combustão interna é reduzir o consumo e a geração de gases poluentes por meio de melhorias na eficiência térmica e através da busca por motores com o conjunto pistão, válvulas e dutos com maiores capacidades de sucção (GIACOSA, 2000) e (ANDREATTA e PEDERIVA, 2016). O processo de admissão do ar, em motores de ciclo Otto, não é eficiente devido às perdas de cargas ao longo das tubulações e das variações da massa específica. Portanto, a eficiência volumétrica não alcança os valores almejados, o que afeta o desempenho do motor, fazendo com que outras estratégias devam ser aperfeiçoadas no sistema de admissão e escape (FERGUSON, 1986) e (BASSHUISEN e SCHÄFER, 2004).
Na visão dos pesquisadores, destacando-se Fergunson (1986), enfatiza-se a necessidade de estudo sobre parâmetros que afetam a eficiência volumétrica, por exemplo, sistema de admissão e escape. Neste sentido, a proposta deste trabalho é a simulação computacional de um motor monocilíndrico, aspirado e alimentado com gasolina, utilizando-se o software Lotus Engine Simulation (LES), para analisar o comportamento dos gases de admissão com a variação dos ângulos de abertura e fechamento das válvulas. Portanto, o
objetivo deste trabalho é encontrar o melhor perfil do comando de válvula e a geometria dos dutos é adequada para o motor proposto visando sua máxima eficiência volumétrica.
Justifica-se este trabalho ao analisar o desempenho dos gases de admissão e de escape, que é possível maximizar o desempenho do motor modificando o sincronismo das ondas de pressão com os ângulos de abertura e fechamento das válvulas. Tornando-se possível uma oportunidade de melhorias do projeto. Desta forma, a pesquisa visa compreender, de forma sólida, as características que influenciam o rendimento volumétrico.
2. OBJETIVO
O principal objetivo deste trabalho e encontrar o melhor sincronismo da geometria dos dutos com o perfil de abertura e fechamento das válvulas visando o comportamento das ondas de pressão com a finalidade de maximizar a eficiência volumétrica para o motor proposto e utilizando o LES. Para este fim, as execuções deste projeto são divididas dentre as seguintes etapas:
1. Realizar uma busca iterativa de simulações numéricas variando a geometria dos dutos de admissão e de escape e os ângulos de abertura e fechamento das válvulas com o objetivo de encontrar o melhor sincronismo visando à eficiência volumétrica.
2. Entender o comportamento do gás de admissão como a pressão, temperatura, velocidade e vazão mássica com a variação do perfil de abertura e fechamento das válvulas de admissão e de escape em uma vasta gama de rotações do motor.
3. Quantificar a eficiência volumétrica para cada comportamento da válvula e rotação do motor. Após uma sequência de simulações e resultados, será possível construir gráficos e tabelas do comportamento do gás de admissão, escape e no interior dos cilindros e consequentemente a análise sistemática dos valores alcançados.
4. Consultar em obras recentes de autores renomados, artigos, dissertações e teses para enriquecer o conhecimento do tema abordado com o objetivo de melhorar o embasamento teórico para a correta realização da pesquisa.
5. De posse dos resultados das simulações e dos gráficos e tabelas, produzir conclusões do comportamento ideal das válvulas para cada rotação do motor.
6. Encontrar experimentalmente, em um motor de bancada, a eficiência volumétrica e construir o mesmo no LES com o objetivo de confrontar os resultados e validar as simulações.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Parâmetros fundamentais do motor
A potência Efetiva do motor 𝑃𝑒 é a potência medida por um dinamômetro na árvore de saída do motor. Contudo, nela já são consideradas as perdas caloríficas e mecânicas. Considerando 𝑝𝑓 como as perdas mecânicas, temos que:
𝑃𝑒=𝑃𝑖−𝑝𝑓 Eq. 3.1

Sendo 𝑃𝑖 a potência indicada do motor, pois nela é apenas considerado o calor convertido em energia mecânica com as perdas caloríficas, não considerando as perdas por atrito.
A potência indicada 𝑃𝑖 de um motor pode ser expressa pela equação:
𝑃𝑖= ṁ𝑎 𝐹 𝑝𝑐𝑖 𝜂𝑡 Eq. 3.2
Sendo:
𝑝𝑐𝑖 → o poder calorífico inferior.
𝐹 → a relação combustível-ar estequiométrica.
𝜂𝑡 → o rendimento ou eficiência térmica do motor.
ṁ𝑎 → a vazão mássica de ar seco que escoa para o interior dos cilindros.
A equação 3.2 é verdadeira para 𝐹 próximo a valores estequiométricos, pois a potencia é afetada de forma não linear pela relação 𝐹 (BRUNETTI, 2012).

Nestas condições, a potência indicada é diretamente proporcional à quantidade de massa de ar atmosférico que entra no cilindro representado por ṁ𝑎. Em motores de ignição por faísca, a potência é modificada variando a pressão de admissão e, portanto, variando a vazão mássica de ar através do aumento da abertura da borboleta de aceleração.

Uma das formas utilizadas para aumentar o rendimento de um motor de combustão interna é aumentar a quantidade de massa de oxigênio admitido na câmara de combustão, melhorando assim o desempenho do motor pelo aumento da eficiência da queima do combustível (FERGUSON, 1986).
Mesmo considerando a relação ar-combustível constante, não é possível considerar a eficiência térmica do motor constante, pois, ela é afetada pela rotação, temperatura e pressão do motor (ARIAS-PAZ, 2010).

3.2 Processo de admissão
3.2.1 Eficiência volumétrica
A razão entre a massa de ar admitida nos cilindros e a massa de ar que o mesmo pode conter, com as mesmas condições volumétricas do ar atmosférico, chama-se rendimento volumétrico. Este rendimento é fortemente influenciado pela velocidade dos gases de admissão que interpõe as válvulas de admissão e os condutos (CHALLEN et al, 1999).
Para tanto, quanto maior for à quantidade de comburente em relação à quantidade de combustível, maior será a possibilidade do contato do oxigênio com a frente de chama dentro da câmara, diminuindo assim a possibilidade da queima incompleta e a exaustão de combustível não queimado pelo escape (GIACOSA, 2000).

Desta forma, é sempre desejável obter máxima eficiência volumétrica, uma vez que a potência produzida para certa quantidade de consumo de combustível será maximizada (FERGUSON, 1986).

Segundo a equação 3.3, caracteriza-se como eficiência volumétrica ηv a relação entre a quantidade de massa que flui para o interior dos cilindros durante o tempo da admissão e o volume varrido pelo pistão, com a massa específica da atmosfera e a rotação do motor (OLIVEIRA, 2002).

ηv= 2 ṁeρeVcilindros'n Eq. 3.3
Em que:
ṁe → é a vazão mássica de mistura que entra nos cilindros,
Vcilindros → é a cilindrada total do motor,
ρe → é a massa específica do ar que entra nos cilindros,
n → a rotação do motor.

A vazão mássica é multiplicada por dois em razão de o motor ser de quatro tempos, ou seja, seu ciclo térmico acontece a cada dois ciclos mecânicos ou duas voltas do eixo virabrequim (MARTINS et al., 2007).

Como se mede a vazão mássica de gases que está entrando no cilindro, o cálculo da eficiência volumétrica pela eq. 3.3 utiliza como massa especifica o valor de ρe que representa a condição dos gases logo antes de passar pela válvula, representando assim a eficiência volumétrica relevando apenas as condições de sucção dos cilindros e as perdas de carga do escoamento pela válvula.

Nem sempre é possível ou conveniente à medição de ρe na entrada do cilindro, entretanto, a medição da massa específica da atmosfera ρatm próximo à tomada de ar do motor pode ser medida sem maiores dificuldades, pois neste ponto, o medidor de ar está protegido das flutuações do escoamento.
Quando a massa específica é medida neste ponto, a eficiência volumétrica calculada mede o desempenho de escoamento de todo o sistema de admissão, como todas as perdas de carga desde o filtro de ar, as tubulações até as perdas de carga devido à estricção do ar na passagem pela válvula. A eficiência volumétrica assim determinada é chamada eficiência volumétrica global (BRUNETTI, 2012).

A eficiência volumétrica global não difere muito daquela medida na entrada da válvula, pois existem pequenas variações na pressão e temperatura no filtro de ar, tubulação de admissão e corpo da borboleta. Em razão disso e da conveniência da medida da eficiência volumétrica global, esta é comumente usada nos motores de aspiração natural (DESANTES, 2010).

O aparato responsável por quantificar a massa de ar que entra na admissão do motor é o sensor do fluxo do ar, localizado entre o filtro de ar e a borboleta do acelerador. Este recebe o fluxo de ar admitido pelo motor que passa por um fio de platina que fica em contato direto com a vazão do ar.

Uma corrente elétrica mantém o fio aquecido, entretanto, com o aumento do fluxo de ar, o fio esfria e a corrente elétrica aumenta para compensar a diminuição da temperatura, até que o fio atinja o equilíbrio.

Pelo valor da corrente elétrica que mantém o fio em temperatura uniforme a Eletronic Control Unit (ECU) sabe-se a quantidade de ar que está entrando no motor.
O sensor fica localizado no início do percurso de admissão, próximo à pressão e à temperatura atmosférica, a fim de que as flutuações dos gases, provenientes do movimento alternado dos pistões, influenciem pouco a vazão que passa pelo sensor (STONE, 2002).

Desta forma, o equipamento experimental para a medição do fluxo de ar através do motor, que é colocado no sistema de admissão, pode afetar os resultados das medições e distorcer a realidade (PESIC et al., 2013).
A eficiência volumétrica é definida pela massa de ar seco que entra nos cilindros e os vapores de água que ocupam o mesmo volume, tem-se:
ṁaρa = ṁ𝑒ρe Eq. 3.4
Sendo:
ρa → a massa especifica de ar seco,
ṁa → é a vazão mássica de ar seco,
ṁe → é a vazão mássica de mistura que entra nos cilindros,
ρe → é a massa específica do ar que entra nos cilindros.

Podemos ainda definir:
ηv= 2ṁe/ρeVcilindros'n=4ṁa/ρavpAp Eq. 3.


Em que:
Ap → a área dos pistões,
vp → velocidade do pistão.

Logo, podemos observar que a eficiência volumétrica de um motor sempre poderá ser determinada, desde que se conheçam os valores de ṁa e ρa.

A massa específica é igual à densidade do ar, no ponto onde são medidos a pressão da mistura fresca p𝑎 e a temperatura da mistura fresca T𝑎, multiplicado por um fator de correção que irá depender do porcentual de combustível vaporizado, massa molecular do combustível e da umidade absoluta do ar.

Como a umidade absoluta do ar não ultrapassa os 2%, a massa de ar seco será próxima à massa do ar de admissão. Entretanto, para regiões de alta umidade o fator de correção não deve ser ignorado.
Desta forma, é comum expressar a eficiência volumétrica da seguinte forma, segundo Brunetti, (2012):

ηv= ṁe/pa/RTa/Ap/Vp4 Eq. 3.6

Quando o combustível está totalmente gaseificado no ponto onde se mede ṁe, o valor de F𝑣 representa a relação ar-combustível total. Entretanto quando a evaporação do combustível é incompleta, o que é muito comum, dificilmente é possível quantificar F𝑣. Vale ressaltar também que é normal haver combustível remanescente no interior da tubulação de admissão e nas válvulas, devido ao ciclo anterior, e que ao se desprender irá aumentar o valor de F𝑣, tornando quase impossível prever o seu valor correto (BRUNETTI, 2012).
As medições de p𝑎 e T𝑎 são dificultadas pela heterogeneidade da vazão do ar na admissão logo, estes valores irão variar conforme, ocorra a modificação do ciclo mecânico do motor. Estas flutuações podem ser amenizadas com o uso de câmara de amortecimento localizado entre o motor e o medidor de ar (AMORIM, 2005).
Em motores dotados do sistema Port Fuel Injection (PFI) e Gasoline direct injection (GDI) não é necessário medir a p𝑎 e T𝑎 no duto de admissão, pois as sondas instaladas nos dutos de escapamento realizarão as correções da mistura (STONE, 2002).
No caso de motores comerciais, quatro tempos e aspirados, o valor do rendimento volumétrico pode variar entre 60% e 85%, dependendo da quantidade e tamanho das válvulas ou da velocidade atingida pelos pistões. Valores acima desses, podem ser atingidos com alterações em todo sistema de admissão, incluindo a câmara de combustão. Entretanto, quanto mais facilmente os gases de admissão entram nos cilindros, menor é a possibilidade de o regime deste fluido estar turbulento, prejudicando a correta queima do combustível e gerando a detonação em baixas rotações (FERGUSON, 1986).
Nos motores naturalmente aspirados, o pistão irá realizar trabalho para succionar os gases de admissão. Dessa forma, dificilmente a eficiência volumétrica estará próxima dos 100%, o que não ocorre com motor turbo alimentado, que pode elevar a eficiência volumétrica de 150 a 300% (OBERT, 1971). Dentre as diversas formas de sobre alimentação, estão o turbo compressor ou turbo charger, o blower, o supercharger e através também da ignição de óxido nitroso N2O. Entretanto, essas medidas supracitadas acontecem com a adição de componentes externos ao motor que possuem a capacidade de impelir ar atmosférico ou gás de admissão para o interior do cilindro (SCHONEBERGER e ROBERT, 1985).
Para alçar a eficiência volumétrica em motores aspirados, que não possuem o auxílio de turbo compressor, a diminuição do atrito do escoamento do ar atmosférico pela tubulação de admissão e pelos coletores é o principal método passível de ser adotado (AMORIM, 2005). Ou seja, pode-se buscar a redução do atrito através da utilização de materiais ou superfícies com menores coeficientes de atrito, da diminuição de curvas, conexões e ressaltos durante todo o percurso que está em contato com o ar que flui pela tubulação de
admissão. Vale ressaltar, porém, que toda perda de carga do fluido acarreta em perda de pressão e, consequentemente, na diminuição da eficiência volumétrica (STONE et al, 1993).
Logo, este valor é muito importante como medida do desempenho do motor. Entretanto, para medi-la, é necessário saber a massa específica da atmosfera e a montante das válvulas de admissão (STONE et al., 2002). Segundo Brunetti (2012), é comum simplificar os cálculos, devido às pequenas variações da temperatura e pressão em todos os componentes até as válvulas.
Com relação à temperatura do fluido de arrefecimento, aumentando a temperatura aumenta-se também a temperatura das paredes de todo o sistema de admissão que está em contato com a água de arrefecimento. Isso aumenta o calor transferido para os gases de admissão prejudicando a eficiência volumétrica devido ao aumento da massa especifica dos gases de admissão. A queda da vazão mássica do fluido de arrefecimento também tende a reduzir o a eficiência volumétrica pela mesma razão (BAKER, 2014).
Dente os fatores que podem influenciar na eficiência volumétrica estão: a velocidade do pistão, a taxa de compressão, as pressões de exaustão e admissão, calor transferido no cilindro, geometria do sistema de admissão e exaustão etc. (HEYWOOD, 1988). O acondicionamento do coletor de admissão e sua geometria também podem modificar o valor da eficiência volumétrica.
Por sua vez, o fenômeno de onda no sistema de escape não influencia significativamente a eficiência volumétrica, quando o cruzamento de válvula for pequeno. Desta forma, as oscilações no tubo de escape pouco afetam o processo de troca de substância na câmara de combustão (SIQUEIRA, 2006) e (CHALET, 2011).
Contribuições para o aumento da eficiência volumétrica foram determinadas através do desenvolvimento de técnicas computacionais com base nos quais, uma série de programas, visando processos de trocas de gases em motores, foi desenvolvida, como por exemplo, o LES (1-D), FIRE (3-D) e PROMO-4 (1-D). Estes modelos se diferenciam pelo
fato da possibilidade de utilização de cálculos numéricos de uma, duas ou três dimensões ou modelos multidimensionais (DESANTES, 2010), (CAVAGLIERI, 2009) e (WANGNER, 2010).
Existem diferenças entre eficiência volumétrica e consumo de ar. A eficiência volumétrica inclui perdas do ar de admissão, seja no final da admissão pelo retorno dos gases pela tubulação de admissão, ou no início da admissão no final do cruzamento das válvulas, medindo assim a quantidade efetiva de ar aprisionado nos cilindros. Enquanto o consumo de ar mede a massa de ar fresco que entra no cilindro não incluindo as perdas. Portanto, o nível de consumo de ar será sempre superior à eficiência volumétrica. Como em motores de quatro tempos possuem perdas de ar no cilindro frequentemente menor que 4%, não há diferença significativa entre os dois parâmetros (PESIC et al., 2013).
3.2.1.1 Processo de admissão ideal
No processo de admissão considerado ideal, o seu rendimento volumétrico também será ideal. Para tanto, os gases residuais e os gases de admissão serão considerados como gases perfeitos com o mesmo calor específico e a mesma massa molecular.
Também é considerado no processo de admissão ideal:
 Inexistência de transferência de calor, processo adiabático.
 Pressões de admissão e de escape constantes, processo isobárico.
 Temperatura de admissão constante, isotérmico.
Em casos que a pressão de escape é maior que a pressão de admissão, tem-se o diagrama da fig. 1, onde é simbolizado um motor com carga parcial. Em que o processo de admissão e representado por 7 - 1 e o de escape por 5 – 6.
Figura 1: Diagrama do processo de admissão ideal de um motor com carga parcial (Elaborada pelo autor).
Neste caso, segundo Taylor, (1988): 𝑝𝐸𝑝𝐴>1,0
Sendo 𝑝𝐸 a pressão de escape e 𝑝𝐴 a pressão de admissão.
Existem também casos que a 𝑝𝐸 é igual a 𝑝𝐴. Neste o motor é considerado a plena carga, ou seja, 100% da abertura da válvula borboleta, fig. 2.
Figura 2: Diagrama do processo de admissão ideal de um motor com plena carga (Elaborada pelo autor).
Neste caso: 𝑝𝐸𝑝𝐴=1,0
E em casos que a 𝑝𝐸 é menor que 𝑝𝐴, é representado pela fig. 3. Neste caso, a pressão de admissão é maior que a pressão de escape caracterizando um motor sobre alimentado.
Assim, temos que: 𝑝𝐸𝑝𝐴<1,0
Figura 3: Diagrama do processo de admissão ideal de um motor com sobre alimentação (Elaborada pelo autor).
No fim do tempo da exaustão, a câmara de combustão permanece com gases residuais a temperatura 𝑇𝑅 e pressão 𝑝𝐸. No início do tempo da admissão, se 𝑝𝐴>𝑝𝐸 a mistura nova entra para os cilindros, comprimindo os gases residuais. Se 𝑝𝐴<𝑝𝐸, os gases residuais escoam pela tubulação de admissão até a pressão da câmara atingir 𝑝𝐴.
Ainda no tempo da admissão, a pressão do cilindro mantem-se constante em 𝑝𝐴, para um sistema ideal. Se qualquer porção de gás residual que escoou pelo duto de admissão, retorna para o cilindro, ocupando espaço dos gases de admissão, a eficiência térmica do motor será penalizada. Esse total de gases que retorna ao cilindro é denominado gás residual (RIBEIRO et al., 2008).
Utilizando a equação dos gases perfeitos e considerando as simplificações impostas, pode-se deduzir a expressão para a eficiência volumétrica ideal 𝜂𝑉𝑖 como.
𝜂𝑉𝑖= 𝑘−1𝑘+𝑟−𝑝𝐸𝑝𝐴𝑘(𝑟−1) Eq. 3.7
Sendo:
𝜂𝑉𝑖 → a eficiência volumétrica do ciclo ideal.
𝑟 → a taxa de compressão do motor.
𝑘 → relação 𝐶𝑃𝐶𝑉.
𝐶𝑃 → Calor específico à pressão constante.
𝐶𝑉 → Calor específico a volume constante.
Na equação 3.7 é observado que a temperatura 𝑇𝐴 e 𝑇𝑅 não aparecem. Isto ocorre devido o processo de admissão ser ideal e a temperatura não afetar a eficiência volumétrica ideal. Como o calor específico e a massa molecular foram simplificados, os dois gases se misturam a pressão constante e se igualam. Esta variância ocorre nas misturas dos gases e nenhuma quantidade de gás se movimenta, saindo ou entrando nos cilindros. (BRUNETTI, 2012).
Analisando a eficiência volumétrica em relação à divisão da pressão de admissão e a pressão de exaustão 𝑝𝐴𝑝𝐸, fig. 4, nota-se um aumento da eficiência volumétrica à medida que 𝑝𝐴𝑝𝐸 cresce. Sendo mais acentuado para 𝑝𝐴𝑝𝐸 menor que 1.
Figura 4: Eficiência volumétrica teórica em relação a 𝑝𝐴𝑝𝐸 (RIBEIRO et al., 2010).
3.3 Escoamento através dos dutos de admissão
3.3.1 Velocidade do escoamento
A velocidade dos gases de admissão também influencia a eficiência volumétrica do enchimento dos cilindros. Quanto maior for o índice de Mach 𝑍, que é caracterizado como a velocidade do gás de admissão 𝑉𝑎 dividido pela velocidade do som 𝑐, eq. 3.8, maiores serão as perdas de carga devido ao aumento do regime turbulento do fluido (TAYLOR, 1988).
𝑍=𝑉𝑎𝑐 Eq. 3.8
Considerando a velocidade pelas válvulas de admissão uma variável e dificilmente mensurável, é adequado encontrar uma velocidade conhecida para que se possa estabelecer a correlação entre a velocidade média do pistão e a do escoamento pela válvula (MAGNANI, 2011).
Para fluidos incompressíveis, a velocidade média 𝑉𝑣 através da válvula de admissão, é dada por:
𝑉𝑣= 𝑉𝑝 𝐴𝑝𝐴𝑣 Eq. 3.9
Em que:
𝑉𝑝 → Velocidade média do pistão.
𝐴𝑝 → Área do pistão.
𝐴𝑣 → Área da abertura da válvula de admissão.
Para tanto, o índice de Mach modificado 𝑍𝑚𝑜𝑑 é a correlação do diâmetro do cilindro, velocidade média do pistão e diâmetro do pé da válvula nas condições do escoamento.
𝑍𝑚𝑜𝑑= 𝑉𝑝 𝐴𝑝𝐴𝑣 𝑐 Eq. 3.10
O rendimento volumétrico do motor está relacionado diretamente ao escoamento dos gases de admissão. Além disso, o índice de Mach possui seu valor máximo durante a passagem pela válvula, pois é onde ocorre a estricção do escoamento. Este valor está fortemente ligado às variáveis: velocidade média do pistão, razão curso da relação diâmetro/curso, dimensões das válvulas e velocidade de rotação (STONE; WYSZYNSKI; KALGHATGI; 2002).
Entende-se, caso o escoamento dos gases de admissão, atinja um valor igual à metade da velocidade do som, 0,5 do índice de Mach, poderão resultar em uma série de limitações à eficiência do motor. Consequentemente, o rendimento volumétrico decresce rapidamente à medida que a velocidade aumenta a partir desse valor (TAYLOR, 1988). Contudo, os motores são projetados para que o valor do índice de Mach, através das
válvulas, não exceda 0,5, pois este é determinado como sendo o valor máximo possível. (LUMLEY, 1999).
Conforme se pode observar na fig. 5, que mostra 𝜂𝑣 em função de 𝑍, há uma queda brusca da eficiência volumétrica quando o índice de Mach é maior que 0,5. O gráfico mostra que 𝜂𝑣 é uma função de 𝑍 dentro das medidas operacionais, faixas de rotações do motor, levantamento, forma e diâmetro da válvula de admissão, mantendo-se constante a abertura da válvula e o instante de fechamento.
Figura 5: Eficiência volumétrica em função do índice de Mach (TAYLOR, 1988).
A velocidade média que o pistão alcança influencia diretamente na velocidade de escoamento dos gases que passam pelas válvulas e também no rendimento mecânico e na durabilidade do motor.
O nível de turbulência dos gases de admissão está fortemente vinculado à velocidade em que o fluido passa pelas válvulas. Quanto maior for à área, no caso de motores com mais de uma válvula de entrada por cilindro, menor será a velocidade e, consequentemente,
menor a turbulência. Isto ocorre, sobretudo, em baixas rotações do motor, prejudicando a queima do combustível (STONE; WYSZYNSKI; KALGHATGI; 2002).
3.3.2 Consumo específico
Diante de toda a faixa de rotação do motor de combustão interna, os menores valores do consumo específico acontecem em velocidades intermediárias. Em baixas rotações, ocorre um grande intervalo de tempo entre os ciclos termodinâmicos do motor, o que permite uma maior perda de calor pelas paredes dos cilindros. Também é possível acontecer uma diminuição da velocidade do gás admitido, podendo acarretar em uma perda de turbulência e causar uma maior deficiência na queima do combustível. Por outro lado, em altas rotações ocorrerão perdas por atrito devido ao aumento da fricção (HEYWOOD, 1988).
Logo, serão nas rotações de trabalho intermediárias que o motor obterá os melhores valores de consumo específico, ver fig. 6, onde são mostradas as curvas de consumo específico para três situações diferentes de carga. Todavia, como também em rotações intermediárias, o rendimento volumétrico se apresenta com maior importância e a pressão média efetiva e o torque serão máximos nesta rotação (EDGAR, 2012).
Figura 6: Valores de consumo específico de um motor, para cargas de 25%, 50% e 100% (EDGAR, 2013).
Vale ressaltar que segundo Edgar (2013), em motores comerciais, a carga de utilização quotidiana dos mesmos é de aproximadamente 25% e de 50% para motores de competição.
3.3.3 Coletores de admissão
Os elementos de ligação entre a borboleta e o bloco do motor são os dutos de admissão, comumente chamados de coletores de admissão. Possuem como objetivo de conduzir o ar do exterior para os dutos de admissão do cabeçote. Nesta situação a velocidade dos gases de admissão no interior do coletor deve ser elevada para evitar o retorno da chama, assim, forças razoáveis de inércia aparecem quando o ar passa pelas curvas do coletor (BRUNETTI, 2012).
Os coletores podem ser simples, apenas com tubulações, podem conter um volume chamado plenum, ou podem possuir sistemas complexos com várias câmaras, tubulações
de vários comprimentos e borboletas para desviar o fluxo no caso de coletores variáveis. Os coletores também necessitam distribuir os gases de admissão de forma igual para todos os cilindros.
A adição de combustível ao ar de admissão, em motores com injeção eletrônica, é efetuada através do Port Fuel Injection (PFI), que acontece entre o coletor e o cabeçote.
Ocorrem vários fenômenos acústicos e aerodinâmicos no coletor de admissão, o desempenho do motor em conjunção com o tempo de abertura e fechamento das válvulas é fortemente influenciado por esses fenômenos. A dimensão do coletor de admissão pode aperfeiçoar os pulsos de alta pressão no sistema de admissão elevando a eficiência volumétrica. Entretanto, para certas faixas de rotações do motor ocorrerão pontos de maior pressão no coletor próximo a válvula de admissão no momento da sua abertura, garantindo o maior suprimento de ar aos cilindros (BRUNETTI, 2012). Contudo, é necessário dimensionar os componentes de um coletor, comprimento, diâmetro e volume do plenum, de forma a obter o melhor desempenho do motor.
3.3.4 Efeito do comprimento e diâmetro dos dutos
Todo o sistema de admissão de um motor de combustão interna tem como objetivo conduzir a mistura ar-combustível para o interior do cilindro. O ar atmosférico sofre uma aceleração quando a válvula de admissão abre, entretanto, quando a mesma se fecha, ocorre uma restrição brusca ao escoamento, gerando uma parada repentina dos gases. A desaceleração severa sofrida forma uma área de alta pressão, causando uma onda de pressão que percorre o caminho inverso à tubulação, que é refletida e retorna novamente para as válvulas. A reflexão da onda de alta pressão ocorre no plenum, podendo uma parte refletir também na borboleta de aceleração ou em qualquer descontinuidade existente na tubulação de admissão (DOMSCHKE e LANDI, 1963).
Uma maneira de melhorar a eficiência volumétrica é ajustar o comprimento dos tubos, para que as ondas de alta pressão encontrem a válvula de admissão aberta no seu retorno (ENGELMAN, 1973).
Parâmetros de saída do motor como potência, torque e consumo de combustível, que são influenciadas pela otimização de processos que se desenvolvem durante os cursos de exaustão e de admissão, podem melhorar até 10%, apenas pelas melhorias na geometria de dutos e coletores de admissão e de escape (SEENIKANNAN, 2008), (EBRAHIMI, 2010) e (NAKAMURA, 2005).
Se a tubulação de admissão estiver corretamente dimensionada, a onda de pressão voltará à válvula no momento da sua abertura. Como o motor trabalha sistematicamente em várias rotações, alterando ordenadamente o intervalo de tempo que a mesma permanece fechada, até sua abertura, este ganho somente irá ocorrer em algumas rotações, quando a onda de pressão encontrará a válvula aberta. Esta pressão extra permitirá um aumento da mistura ar-combustível no interior dos cilindros.
O problema de a onda de pressão proporcionar benefícios apenas em uma estreita faixa de rotações, torna esta técnica bastante limitada. A velocidade da onda de pressão irá depender da massa específica dos gases de admissão, podendo sofrer variações conforme a quantidade e tipo de combustível presente na mistura de admissão. A velocidade da onda também irá apresentar pequenas diferenças conforme a variação da temperatura do ar de admissão.
Essa onda de pressão pode ser chamada de ressonância, fenômeno esse que consiste no fato de que a coluna de ar confinada em um tubo vibra em uma frequência, 𝜆, inversamente proporcional ao comprimento, 𝐿, vide fig. 7. Este fenômeno e gerado pelo fechamento brusco da válvula de admissão, pela qual os gases estavam escoando com uma pressão negativa, devido à aspiração produzida pelo movimento descendente do pistão. O aumento repentino da pressão, devido ao fechamento da válvula de admissão, provoca uma
ressonância que percorre a tubulação no sentido contraria, refletindo e voltando com o mesmo sinal para a válvula. Esta onda refletida, ao encontrar a válvula de admissão aberta incrementa a eficiência volumétrica (DOMSCHKE e LANDI, 1963).
Figura 7: Onda de pressão no interior de um tubo (DOMSCHKE e LANDI, 1963).
Sendo:
𝜆, → frequência.
𝐿, → comprimento do tubo.
Para calcular o comprimento de toda tubulação de admissão para uma determinada rotação, utilizou-se a eq.3.11 da seguinte maneira:
𝐿= 𝑡 36060 𝑛 2𝐿1000 𝑐 10,012𝑛 Eq. 3.11
Sendo 𝑐 velocidade do som (m/s), 𝑛 rotação do motor (RPM) e 𝑡 o tempo para a onda ir e voltar dentro da tubulação.
Como exemplo, ao considerar os ângulos de abertura e fechamento da válvula de admissão encontrados por esta pesquisa, sendo de 23° antes do ponto morto superior e o
fechamento de 55° depois do ponto morto inferior, é possível encontrar o intervalo de ângulo que a válvula fica aberta. 23°+55°+180°=258°
Como a válvula de admissão se abre uma vez a cada duas rotações, logo: 258°−720=462°
Logo, o tempo que a válvula se fecha, gerando uma onda de pressão e o momento que a mesma se abre, possui um intervalo de 462°. Desta forma é possível encontrar o tempo 𝑡 para o intervalo de rotações de mil a sete mil rpm, considerando a velocidade do som de 340,29 m/s. A partir da eq. 3.11, foi possível montar um gráfico, fig. 8, evidenciando que, quanto menor a rotação, maior deve ser a tubulação de admissão.
Figura 8: Comprimento teórico ideal dos dutos de admissão para várias rotações de trabalho do motor (Elaborada pelo autor).
Duas considerações se tornam necessárias após a realização destes cálculos. A primeira é que a mil rpm a tubulação de admissão deve possuir um aumento no comprimento de 700% em comparação a sete mil RPM. Isso mostra que a geometria dos dutos deve alterar em grandes proporções conforme a rotação varia. Como na grande
maioria dos motores modernos, não possuem coletor de geometria variável, as dimensões ajustadas dos dutos de admissão têm seu principal benefício em uma faixa de velocidade bem limitada.
A segunda consideração é que os comprimentos encontrados são muito extensos, podendo variar de 1.800 mm a sete mil RPM indo até 13.100 mm a mil rpm. Sendo quase impossível adaptar uma tubulação com esse comprimento no interior do chassi do veículo. Desta forma os dutos devem ser encurtados de forma que mantenha os benefícios da onda de pressão. Isso pode ser feito dividindo o comprimento pela metade, desta forma a onda de pressão viajará duas vezes pela tubulação e ainda atingirá a válvula no tempo certo. Contudo, mais divisões podem ser feitas nos dutos para atingir o mesmo objetivo.
Este fato é conhecido desde os primórdios dos motores. Cientistas se engajaram em investigações de fenômenos de fluxo no sistema de admissão e exaustão desde 1927, quando foi estabelecida a teoria de ação das ondas de ressonância simples. Os primeiros cálculos foram baseados na determinação de parâmetros geométricos do sistema de admissão, a fim de obter efeitos dinâmicos nos dutos de determinados motores (CAPETTI, 2012).
Existem ainda outras particularidades no comportamento dos fluidos de admissão. Tendo em vista que quanto maior for à turbulência dos gases de admissão melhor será a mistura do combustível com o comburente, é interessante que esses gases escoam com alta velocidade para o interior dos cilindros, aumentando a turbulência. Desta forma, uma maneira de aumentar a turbulência é reduzindo o diâmetro dos dutos de admissão. Vale ressaltar, entretanto, que com o aumento da velocidade do fluido de admissão maior serão as perdas de pressão devido ao aumento do atrito do escoamento, logo a restrição do diâmetro pode inibir o fluxo de ar (PROVASE et al., 2014).
Existe outro fenômeno denominado enchimento inercial, segundo Garcia (2006), se baseia no fato de que o ar possui massa. De acordo com a equação de Bernoulli, eq. 3.12, a energia de uma coluna de fluido, em regime permanente ao longo de seu percurso, é a
somatória das energias potenciais, cinéticas e de pressão, que permanecerá constante desde que seja desconsiderada a viscosidade, o atrito e fluido incompressível. O primeiro componente da equação é referente à energia potencial gravitacional, que é a energia devido ao diferencial de altura que o fluido possui. O segundo componente é a energia cinética, que representa a energia devido à velocidade e por último, a energia de fluxo que é a energia que um fluido contém devido à pressão.
𝑃+𝑣2𝜌2+𝜌𝑔ℎ=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Eq. 3.12
Onde 𝑃 pressão ao longo da linha de corrente, 𝑣 velocidade do fluido na seção considerada, 𝜌 massa específica do fluido, 𝑔 aceleração gravitacional e ℎ altura na direção da gravidade desde uma cota de referência.
Contudo, toda energia de uma coluna de fluidos é constante, se uma das parcelas diminuir alguma outra precisa aumentar. Os gases presentes na tubulação de admissão não conseguem mudar de velocidade instantaneamente, pois possuem massa. A aplicação deste princípio é que o ar entra no motor devido ao movimento descendente do pistão, ao chegar ao PMI o mesmo começa a subir em direção ao PMS, mesmo com o efeito de sucção realizado pelo pistão deixar de existir, os gases de admissão continuam entrando no cilindro devido à inercia do fluido. Este fenômeno aumenta a pressão do ar no cilindro após a admissão e consequentemente sua massa específica. Deste modo, é interessante manter a válvula de admissão aberta após o pistão atingir o PMI.
Entretanto, a coluna de ar necessita de certa velocidade, com o motor trabalhando em baixas rotações a coluna não terá inercia o suficiente, logo, o movimento ascendente do pistão fará a mistura nova retornar pelos dutos de admissão. Utilizando dutos longos e estreitos, isso fará com que o fluido possua mais velocidade e quanto mais longo for o duto, mais tempo a coluna de ar terá para ser acelerada, maximizando a admissão. Contudo, essa particularidade favorece baixas rotações, atrapalhando o enchimento do cilindro em
rotações mais altas, pois, para um pequeno diâmetro do duto, a velocidade será muito alta aumentando as perdas de carga devido ao atrito, e consequentemente, redução da pressão inibindo a eficiência volumétrica (PROVASE et al., 2014).
3.3.5 Efeitos do volume do Plenum
Coletores de admissão possuem um volume ligado aos dutos chamado de plenum, que possuem como objetivo promover uma ressonância distinta além da onda de pressão gerada pela tubulação. O volume adicional à tubulação faz com que o sistema se comporte analogamente a um sistema massa mola (HANRIOT et al., 1999). Desta forma, a frequência de ressonância gerada no sistema é ditada pelo comprimento, área do duto de admissão e pelo volume da plenum.
Desta forma, para definir a frequência originada com apenas uma câmara ligada ao duto de admissão, pode-se deduzir a eq. 3.13 da seguinte forma:
λ= 𝑐2 𝜋√𝐴𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚𝑉𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 𝐿 Eq. 3.13
Sendo λ a frequência (Hz), 𝑐 a velocidade do som (m/s), 𝑉𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 o volume da câmara do plenum (m³), 𝐴𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 a área de entrada (m²) e 𝐿 o comprimento do duto.
Contudo, no motor, o sistema de câmaras pode ser mais complexo. Pois, além da tubulação ligando do plenum ao cilindro, existe um conduto ligado do corpo da borboleta ao plenum. Até o próprio volume do cilindro pode influenciar na ressonância.
O volume do plenum deve ser calculado visando que a ressonância ocorra em uma rotação desejada, e que nesta, o torque seja melhorado. Entretanto, estes cálculos são aproximados, pois o regime de trabalho do motor é transiente. Também, a variação do volume do cilindro conforme o ângulo do virabrequim varia e o fato de ocorrer abertura
simultânea de válvulas em mais de um cilindro, tornando mais complexos os cálculos. Adicionalmente, esse sistema de dutos e câmaras fica ainda mais complicado ao se levar em consideração que o fenômeno de ressonância também sofre influência dos dutos de escapamento (HANRIOT, 2001).
Existe também a interferência entre pulsos de pressão entre os cilindros, para motores com mais de um cilindro. Isso ocorre, porque, tanto as válvulas de admissão quanto as de escape poderão estar abertas simultaneamente. Esta concomitância de eventos ocorrerá de o fenômeno que estiver ocorrendo em um cilindro, afete outro. Desta forma, o cálculo analítico do desempenho do sistema de ressonância é quase impossível, sendo praticável apenas com o uso de ferramentas computacionais.
3.4 Escoamento através dos dutos de exaustão
Os gases de exaustão possuem de 300°C a 800°C e pressão de 3 a 5 bar, contudo possuem uma energia considerável que pode ser aproveitada na admissão dos gases. Logo, possuem grande importância na eficiência volumétrica do motor de combustão interna. Porém existem dois fenômenos que ocorrem no fluxo de gases durante a exaustão (DOMSCHKE e LANDI, 1963).
O primeiro fenômeno ocorre com a liberação repentina dos gases no início da exaustão gerando pulsos de pressão positiva dos gases de escape, que escoam pelo coletor de escapamento. Este pulso viaja em alta velocidade, dependendo da massa específica do gás, que ao encontrar qualquer descontinuidade, restrição ou pontos de expansão da área da secção transversal dos dutos, ocorrerá uma reflexão da onda que retornará com sinal negativo como uma onda de baixa pressão. Esta depressão, ao atingir a válvula de escape no tempo do cruzamento das válvulas de exaustão com a de admissão, influenciará na admissão da mistura fresca.
Outro fator é a abertura precoce da válvula de escape, durante o tempo da combustão, originando a liberação dos produtos da queima que ainda possuem grande pressão. Esta súbita vazão dos gases sobre alta pressão, desloca velozmente a coluna de gás, fazendo-o atingir grande velocidade. A onda de pressão dos gases expulsos da câmara de combustão transfere sua energia para a coluna de gás a sua frente na forma de energia cinética. No momento em que a onda de pressão viaja em direção à atmosfera em alta velocidade, a pressão do escoamento diminui. Esta baixa pressão ao atingir o início do tempo da admissão, no período do overlap, auxiliará na admissão de mais mistura fresca para o interior dos cilindros.
Para tanto, o comprimento dos dutos de escape deve ser dimensionado de forma que a onda de pressão tenha tempo de ir e voltar para uma dada velocidade rotacional do motor. Isto garantirá que os gases residuais sejam mais eficientemente eliminados, desde que o retorno da onda de baixa pressão encontre, tanto com a válvula de admissão quanto com a de escape abertas ao mesmo tempo.
A figura 9 mostra a pressão na tubulação de escape, onde se pode observar a depressão gerada no conduto de escapamento no overlap, fato gerado em grande parte pelo escoamento em alta velocidade dos gases de escape e pela sincronização do cruzamento de válvula com a onda de baixa pressão do duto de exaustão.
Figura 9: Pressão na tubulação de escape (DOMSCHKE e LANDI, 1963).
O princípio utilizado para calcular o comprimento dos dutos de escapamento é semelhante ao empregado para dimensionar o de admissão. Contudo, o cálculo da indução inercial está conectado a velocidade do som, que por sua vez sofre influência da temperatura dos gases. Logo, como os gases de exaustão possuem maiores temperaturas que os gases de admissão, maior será a velocidade da onda de pressão que percorre a tubulação de escape. Devido a isso, o comprimento calculado do duto de escape é mais longo que os calculados para o coletor de admissão.
A equação 3.14 foi utilizada para calcular o comprimento ideal para aperfeiçoar a os efeitos desejados da onda de pressão e a eliminação dos gases de escape para uma dada rotação:
𝐿= 𝜃𝑡 𝑐12 𝑛 Eq. 3.14
Onde: 𝜃𝑡 é o deslocamento angular do virabrequim, 𝑐 a velocidade do som (m/s), 𝑛 a rotação do motor (rpm) e 𝐿 o comprimento do duto (m).
Entretanto, para velocidades rotacionais menores ou maiores do que a velocidade pelo qual o comprimento dos dutos foi calculado, o pulso da onda de pressão ficará deslocado do ponto ideal de abertura da válvula de admissão e fechamento da válvula de escape. Quando isso ocorrer, a depressão criada pela onda de pressão não conseguirá remover os gases residuais. Podendo até mesmo ocorrer pulsos secundários refletidos e desta forma, prejudicar a eliminação dos gases (BRUNETTI, 2012).
3.5 Válvulas de admissão e de escape
3.5.1 Comando de válvula
No motor de combustão interna, existe um sistema que irá permitir o abastecimento cíclico de ar atmosférico e a expulsão dos gases queimados e ao mesmo tempo deve tornar o interior da câmara de combustão hermeticamente fechada quando necessário. No motor de quatro tempos, as válvulas são esses dispositivos (BASSHUISEN et al, 2004).
O mecanismo de comando de válvulas é projetado a fim de que cada válvula se abra, mantenha-se aberta por um determinado período de tempo e se feche no momento adequado. Esta dinâmica possibilita uma boa admissão da mistura gasosa e na completa expulsão dos gases da combustão, sendo importante ressaltar que este funcionamento deve ser preciso nos mais variados regimes de rotação do motor (TAYLOR, 1988).
Na passagem dos gases pela válvula, ocorre uma restrição do fluxo que, por zua vez, pode ser um dos comportamentos mais importante do sistema. Durante esta fase, o fluxo pode ser caracterizado como sendo turbulento, instável, altamente compressível, não isotérmico e transônico, de acordo com a abertura da válvula (WANG et al., 2013).
Em todo o conjunto das válvulas, grandes acelerações são impostas. As forças de inércia inerentes a esse processo crescem com o aumento da rotação, submetendo grandes esforços ao conjunto. A fig. 10 mostras todo o esquema construtivo dos componentes de um conjunto de válvulas, onde mostram eixo de comando (1), guia do tucho (2), cabeçote do motor (3), tucho mecânico (4), retentor de válvulas (5), mola da válvula (6), guia da válvula (7), válvula (8) e assento da válvula (9).
Figura 10: Componentes do trem de válvulas (ROMMER e IHLEMANN, 2011).
Existem diferentes tipos de geometrias, posições, inclinações e quantidades de válvulas presentes no cabeçote para cada particularidade de motor. Para o acionamento destas, o eixo de comando de válvula também pode variar quanto ao seu posicionamento e quantidades de válvulas inseridas no bloco do motor. Este fato ocorre mesmo a despeito de todos os eixos possuírem a aplicação de abrir e fechar as válvulas de escape e de admissão.
Os eixos podem ser instalados abaixo ou acima do cabeçote e do bloco do cilindro. Quando instalados acima, de forma convencional, são denominados Over Head Valves (OHV), conforme fig. 11, pode-se observar a aplicação em um motor em “V” em que um único comando de válvulas aciona a abertura de todas as válvulas, sendo elas tanto de escape quanto de admissão. Os componentes numerados são válvula (1), tucho roletado hidráulico (2), vareta (3) e balancim articulado mecânico (4).
Figura 11: Comando de válvulas do tipo Over Head Valves (OHV) (ROMMER e IHLEMANN, 2011).
A disposição denominada Overhead Camshaft (OHC) se dá quando se faz o uso de um único eixo de comando que fica acima do cabeçote. Já a construção denominada Double Overhead Camshaft (DOHC) é utilizada para dois comandos de válvulas, isto é, um para acionamentos das válvulas de admissão e outro para acionamento das válvulas de escape, em que também o eixo fica acima do cabeçote como mostrado na fig. 12, identificando a tampa do cabeçote (1), eixo comando (2), cabeçote mecânico (3).
Figura 12: Cabeçote com duplo eixo de comando de válvula Double Overhead Camshaft (DOHC) (ROMMER e IHLEMANN, 2011).
A precisão do movimento e vedação das válvulas é importante para altas rotações, especialmente para altas potências. O procedimento de abertura e fechamento das válvulas deve ocorrer de forma sincronizada com a rotação do virabrequim, restando apenas pequenas variações provenientes das deformações elásticas, das dilatações térmicas das válvulas e dos componentes do sistema (WINTERBONE e PEARSON, 1999). Em suma, este procedimento deve ocorrer de maneira precisa, rápida e contínua, visando as menores perdas por atrito a fim de se obter máximo desempenho (SCHIRM, 2003).
Dentro ainda do critério da qualidade do comportamento das válvulas e dos componentes responsáveis por seus movimentos, vale ressaltar que a vida útil de ambos deverá ser a mesma do motor, pois eventuais desgastes destes componentes podem prejudicar o comportamento dos gases de admissão e escape, minimizando a eficiência do motor. Quanto ao funcionamento de seu movimento, há a exigência que seja contínua, sem impactos e que as vibrações naturais de todo o sistema, principalmente da mola da válvula, não sejam alcançadas, pois o comportamento de ressonância pode, facilmente, provocar desgastes excessivos ou ruídos (ROLLS-ROYCE & BENTLEY CLUB INC, 2007).
Segundo Rommer e Ihlemann, (2011) para que as válvulas funcionem adequadamente as mesmas necessitam dispor de determinadas exigências:
 ter grande resistência e durabilidade por toda a vida útil do motor;
 possuir baixo atrito de funcionamento;
 garantir boa dissipação de calor, especialmente as válvulas de escape.
3.5.2 Carga térmica das válvulas
As válvulas precisam ser resistentes a elevadas temperaturas e pressões devido ao contato direto das mesmas com as reações exotérmicas do combustível-ar. A dilatação térmica destes componentes mostra-se um problema inerente ao seu funcionamento. Isto é devido ao fato de que após sua dilatação, a válvula pode não se encaixar no interior do assento da válvula, onde deve ocorrer a perfeita vedação da câmara de combustão. Além disso, quanto maior for o tamanho da abertura do assento da válvula, menores serão as perdas de pressão devido à alta velocidade do escoamento dos gases de admissão e exaustão (ROMMER e IHLEMANN, 2011).
Subdividindo a válvula, é possível decompor o corpo da mesma em sete zonas (WANG et al, 2013), conforme evidenciado na fig. 13:
 a ponta da haste (1), que fica em contato direto com o sistema de cames;
 guia da haste (2), esta superfície fica no interior da guia quando a válvula está aberta.
 guia (3), parte que permanece dentro da guia, independentemente da posição da válvula,
 guia da porta (4), esta superfície fica em contato com os gases quando a válvula está aberta e permanece dentro da guia quando a válvula está fechada,
 haste da porta (5), esta parte da haste da válvula está localizado dentro do coletor dos gases durante todo o ciclo.
 assento (6), é a vedação e responsável por manter a pressão no interior do cilindro quando conveniente.
 face da combustão (7), constituída pela parte da cabeça da válvula com a superfície em contato direto com a combustão, podendo ser tratada como parte da câmara de combustão.
Figura 13: Divisões da válvula (WANG et al, 2013).
As válvulas de admissão suportam uma carga térmica menor, pois são arrefecidas constantemente pelo ar atmosférico durante o tempo da admissão e, por isso, podem possuir um tamanho maior. O mesmo não acontece com as válvulas de exaustão, que podem alcançar 867 °C. Os gases de escape aquecem-nas mais e acarretam, consequentemente, em uma dilatação térmica maior. Portanto, as válvulas de exaustão devem possuir tamanho menor com o objetivo de amenizar os efeitos da dilatação e de diminuir concentradores de tensões (BARROS, 2003).
Contudo, as válvulas de admissão e de escape são componentes fundamentais em motores, pois, são empregados no controle do fluxo de saída e entrada dos gases e estão sujeitas a altas cargas térmicas e de tensões devido às elevadas pressões e temperaturas no interior do cilindro. A fig. 14 mostra o mapa de distribuição da temperatura na válvula de
escape, em que o calor, proveniente da combustão, flui pela face da válvula em contato com a combustão e que é transferida pelo corpo da peça através de um fluxo de calor elevado, tornando a distribuição da temperatura da válvula não uniforme devido a não homogeneidade da carga térmica (CERDOUN et al, 2016).
Figura 14: Distribuição da temperatura através da válvula de exaustão (CERDOUN et al, 2016).
Exigências contínuas de melhorias térmicas do motor de combustão interna resultam em condições de trabalho cada vez mais penosas para vários componentes do motor, em particular para as válvulas de escape e ligeiramente, com menor intensidade, para a válvula de admissão. Contudo, um esforço de investigação considerável para melhorar o desempenho de válvulas no tocante a sua transferência de calor e cargas térmicas, são triviais (MAVROPOULOS et al, 2009).
Ainda segundo Cerdoun et al, (2016), em regime transiente, até 100 ciclos térmico, ou 2,4 segundos, a temperatura da válvula permanece relativamente fria. Após 200 ciclos, a temperatura aumenta rapidamente e o fluxo térmico começa a se mover da face da combustão da válvula para a ponta da haste. A distribuição da temperatura tende a estabilizar após 8000 ciclos térmicos, ou 192 segundos. A fig. 15 mostram vetores do fluxo de calor através da válvula de exaustão.
Figura 15: Vetores do fluxo térmico (W/m²) através da válvula de exaustão (CERDOUN et al, 2016).
Os fenômenos relacionados a instabilidades da transferência de calor de um motor de combustão interna podem ser subdivididas em dois modos, segundo Mavropoulos et al, (2009):
 Fenômenos cíclicos de transferência de calor causados por variações rápidas da pressão e temperatura dos gases durante o ciclo do motor, estes fatos são resultados dos processos físicos e químicos durante o período de um ciclo do motor.
 E a fenômenos de transferência de calor de resposta em longo prazo relacionados com as variações não periódicas das velocidades e da carga do motor em operação transiente.
Com a válvula fechada, o assento da mesma experimenta cargas combinadas pela força da mola e pela pressão dentro do cilindro. A principal porção de calor rejeitada pela válvula ocorre pela superfície de contato do assento com o cabeçote, pois neste ponto, existe uma maior temperatura distribuída da válvula. Portanto, o contato inadequado, provoca deformações da válvula e do assento, que pode levar a sua destruição. Por outro
lado, quando a válvula está aberta, devido à grande velocidade e turbulência dos gases, é promovida uma troca térmica da válvula para os gases e dos gases para o bloco e cabeçote do motor, provocando arrefecimento da peça. Contudo, uma atenção significativa é dada a este setor para incluir todos os aspectos que influenciam a transferência de calor (FINOL e ROBINSON, 2006).
3.5.3 Movimento das válvulas
A figura 16 representa o comportamento cinemático das válvulas, sendo o curso (𝐴𝑛), representado pela linha contínua vermelha, mostrando o deslocamento das válvulas em função do ângulo do eixo virabrequim (𝜑).
Figura 16: Movimento da válvula com velocidade angular constante (ANDREATTA et al, 2016).
Onde (𝐴𝑛), é uma função do ângulo do eixo de virabrequim, 𝜑 , conforme eq. 3.15.
𝐴𝑛=𝑓(𝜑) Eq. 3.15
A velocidade (𝑉𝑛), linha contínua azul na fig. 16, é uma diferencial do deslocamento da válvula em função do tempo representado na eq. 3.16.
𝑉𝑛= 𝑑𝐴𝑛𝑑𝑡 Eq. 3.16
A aceleração (𝑎𝑛), representado pela linha tracejada verde na fig. 16, é uma diferencial da velocidade em função do tempo, conforme evidenciado na eq. 3.17.
𝑎𝑛= 𝑑𝑉𝑑𝑡 Eq. 3.17
A figura 17 mostra o curso da válvula (An), onde é observado o perfil do came que irá definir a curva de comportamento da válvula.
Figura 17: Perfil do came e a elevação da válvula (Elaborada pelo autor).
A relação entre o ângulo da rotação da árvore de cames (𝜔) é dada pela metade da rotação do eixo virabrequim (𝜑) nos motores de quatro tempos.
Com relação ao comportamento das válvulas, vale frisar que a velocidade da massa do gás que escoa pela válvula de admissão, para fins de enchimento do cilindro, depende essencialmente da altura, do diâmetro e do tempo de abertura da mesma. Não é viável, portanto, aumentar de modo indefinido o curso da válvula de admissão, com o objetivo de permitir maior vazão de gases.
De acordo com as definições de Lumley (1999) e Heywood (1988) referente à abertura, há diferentes padrões para o seu movimento. Segundo Lumley (1999) a altura
máxima aceitável deverá ser cerca de ¼ do diâmetro da válvula e, para Heywood (1988), deverá ser próximo de 12% do diâmetro do cilindro.
Vale ressaltar que ao diminuir a altura do curso da válvula de admissão, fig. 18, para manter a vazão, a velocidade deve aumentar. Logo, aumentando-se o índice de Mach, aumenta-se a resistência ao escoamento. Assim, é indispensável existir um comprometimento com relação ao curso máximo da válvula.
Figura 18: Exemplo do curso máximo da válvula (LUMLEY, 1999)
Na figura 19 são mostradas as curvas de elevação das válvulas (𝐴𝑛) com a curva do curso do pistão (𝑍𝑑). As posições de 𝑍𝑑 foram espelhadas em relação ao eixo horizontal, no exemplo. Esta representação gráfica é convencional em diagramas de elevação de válvulas (ANDREATTA et al, 2016). O ângulo de zero grau corresponde ao PMS e, a cento e oitenta graus, ao PMI.
Figura 19: Diagrama da curva das válvulas com a curva do pistão (ANDREATTA et al, 2016).
Escrevendo o deslocamento do pistão (𝑍𝑑) em função do ângulo de rotação (𝜑) do virabrequim, considerando todo o mecanismo rígido e sem folgas, é dada pela eq. 3.18 (Andreatta et al., 2016).
𝑍𝑑=𝑅cos(𝜑)+𝐿 cos (𝑠𝑒𝑛−1(𝑅 𝑠𝑒𝑛(𝜑)−𝐶𝐿)) Eq. 3.18
Onde R é a medida do braço do eixo virabrequim, L é a distância entre centros da biela, 𝛳 o ângulo da biela com a vertical, C é o deslocamento entre o centro do pino do pistão com o centro de giro do eixo virabrequim, ainda segundo Andreatta et al. (2016), este desalinhamento é denominado de pin-offset. Estas grandezas são evidenciadas na fig. 20.
Figura 20: Deslocamento do pistão (Zd) em função da rotação do virabrequim (φ) (EPI Inc., 2014).
3.5.4 Diâmetro das válvulas e formato da câmara de combustão
Quanto à geometria das válvulas de admissão e de escape, estas devem por norma, apresentar cabeças de formato circular. O diâmetro das válvulas de admissão é, na maioria das vezes, superior ao das válvulas de escape, devido à necessidade de aumento da eficiência volumétrica e por trabalharem com menores temperaturas, pois possuem constante arrefecimento dos gases de entrada no tempo de admissão (FERGUSON, 1986). Além disso, o diâmetro das válvulas possui a necessidade de satisfazer os limites físicos estabelecidos pelo diâmetro da câmara de combustão, no entanto, as válvulas podem possuir vários tamanhos.
As câmaras de formato hemisférico, fig. 21 suportam melhor as válvulas de tamanho superior, o que no passado, resultou em um grande uso das mesmas em motores de duas válvulas por cilindro. Contudo estas câmaras possuem limitações, pois não permitem a utilização de comando multiválvulas.
Figura 21: Câmara de combustão tipo hemisférica (HEYWOOD, 1988).
A preferência em se utilizar cabeçotes multiválvulas em motores atuais é resultado da possibilidade de haver maior área de passagem efetiva de fluxo de gases com o uso de duas pequenas válvulas ao invés do uso de apenas uma (HEYWOOD, 1988).
Ainda, fazendo-se referência aos tempos atuais, pode se citar a câmara do tipo telhado, fig. 22, utilizada tipicamente em motores com três, quatro ou até cinco válvulas por cilindro.
Figura 22: Câmara de combustão tipo telhado (HEYWOOD, 1988).
3.5.5 Efeitos do cruzamento de válvulas - overlap
O overlap é a superposição das válvulas de admissão e escape no ponto onde é possível aproveitar a depressão gerada pela inércia dos gases em alta velocidade escoando
pela tubulação de escape, com o objetivo de reduzir a pressão no interior do cilindro e auxiliando no enchimento. Logo, overlap consiste em cruzar à abertura da válvula de admissão e a de escape. Basicamente é adiantar a abertura da válvula de admissão e atrasar o fechamento da de exaustão, observando que as duas válvulas devem ficar abertas ao mesmo tempo. O efeito desejado é melhorar a aspiração dos gases de admissão devido ao efeito de vácuo dos gases de exaustão que estão saindo pelo escapamento em alta velocidade (TAYLOR, 1988).
A figura 23 mostra o diagrama indicado com a válvula de admissão abrindo no PMS em x, e fechando no PMI em y.
Figura 23: Diagrama indicado da pressão do cilindro pelo volume no tempo da admissão e do escape (TAYLOR, 1988).
Contudo é possível observar uma depressão gerada (1) durante a sucção dos gases de admissão. Com a válvula de admissão abrindo antes do PMS, significa que a mesma estará parcialmente aberta no início do curso de admissão oferecendo assim uma menor resistência ao escoamento dos gases, desta forma a depressão no interior do cilindro é reduzida.
Ao atrasar o fechamento da válvula de escape para depois do PMS, implica em uma redução da pressão em x, maximizando a eficiência volumétrica. O escoamento em alta velocidade dos gases de escape também pode influenciar na sucção dos gases de admissão, devido a isso, torna-se interessante manter as duas válvulas abertas em um intervalo de tempo (RIBEIRO et al., 2010).
Para motores trabalhando com cargas parciais, 𝑝𝐸𝑝𝐴>1,0, sendo 𝑝𝐸 a pressão de escape e 𝑝𝐴 a pressão de admissão, ocorrerá escoamento de gases residuais para dentro da tubulação de admissão logo após a abertura da válvula de admissão, e em seguida, retorna para o cilindro no decorrer do tempo da admissão, deslocando a mistura nova. Esse fato não parece provocar grandes prejuízos, que apesar da maioria dos motores modernos trabalharem a maior parte do tempo em cargas parciais, os mesmos possuem um overlap de 60° a 70° (BRUNETTI, 2012).
Entretanto para motores sobrealimentados, 𝑝𝐸𝑝𝐴<1,0, a mistura nova tende a escoar para fora do cilindro pela tubulação de escape durante o overlap, tornando dispendiosas as perdas da mistura ar-combustível pelas válvulas de escape. Por isso, nesta situação, o cruzamento de válvulas tende a ser menor em motores de ignição por faísca. Para motores de ignição espontânea, ou seja, injeção direta de combustível, não existe perdas, uma vez que os gases de admissão estão compostos apenas por ar atmosférico e não sendo uma mistura com combustível.
Devido à possibilidade de perda de gases de admissão pelo escape durante o overlap, significando que o ar retido no cilindro pode ser menor que o ar fornecido no processo, é necessário definir uma relação entre massa retida e a massa fornecida que é a eficiência de retenção, como:
𝜂′𝑣𝜂𝑓=r𝑟 Eq. 3.19
Onde 𝜂′𝑣 é a massa retida, 𝜂𝑓 a massa fornecida e r𝑟 a eficiência de retenção.
Em motores de ignição por faísca, 𝐹 é a relação ar-combustível fornecido e 𝐹′ é a relação combustível/ar na combustão. Sendo 𝜂′𝑣 o rendimento baseado na mistura retida, assim temos que 𝜂′𝑣≠𝜂𝑣 e 𝐹′≠𝐹.
3.5.6 Efeitos do fechamento da válvula de admissão
Para baixos valores de Z, eq. 20, parte da mistura nova volta pela admissão se ocorrer uma demora no fechamento das válvulas de admissão. Este efeito irá se agravar se a tubulação de admissão for tão curta que os efeitos de inércia serão muito pequenos. Para altos valores de Z, a pressão no cilindro no final da admissão pode ser baixa, neste caso, a demora no fechamento da válvula após o PMI possibilita tais escoamentos de mistura nova para o cilindro até o momento em que ocorre o estabelecimento da pressão (SAVIO et al., 2014) e (PEREIRA, 2004).
3.6 Taxa de compressão
A eficiência térmica do motor de combustão interna varia conforme se altera as condições de queima do combustível, como as modificações da carga, taxa de compressão, rotações do motor e demais. Dentre esses fatores, a taxa de compressão é fixa e traz enorme influência na eficiência e consumo do motor (LOPES e FERREIRA, 2014).
A taxa de compressão é uma relação entre o volume deslocado dos pistões no interior dos cilindros e o volume da câmara de combustão. Em motores de combustão interna de ignição por faísca, a taxa de compressão está em torno de 9:1 a 12:1 para veículos comerciais. Para um valor médio de 11:1, significa que, a câmara de combustão de cada cilindro do motor possui onze vezes menor volume que todo o volume varrido pelo pistão
mais a câmara. Motores sobre alimentados, com o adicional do turbo compressor, trabalham com uma taxa de compressão menor, em torno de 6:1 a 9:1. Isto ocorre em função de haver compressão dos gases de admissão quando os mesmos entram nos cilindros (HEYWOOD, 1988).
A taxa de compressão também influencia na eficiência volumétrica do motor. Na fig. 24 é possível observar a relação 𝑝𝐸𝑝𝐴 no eixo horizontal, e no eixo vertical, a relação da eficiência volumétrica 𝜂𝑣 pela eficiência volumétrica básica 𝜂𝑣𝑏.
Figura 24: Eficiência volumétrica em motores com pequeno overlap para diferentes valores de PEPA e taxa de compressão (TAYLOR, 1988).
Quando a 𝑝𝐸𝑝𝐴 é próximo de 1,0, a variação da taxa de compressão r influencia pouco na eficiência volumétrica e, quanto maior for r, menor será a influencia de 𝑝𝐸𝑝𝐴 em 𝜂𝑣𝜂𝑣𝑏. Ou
seja, quanto menor a taxa de compressão, a eficiência volumétrica irá variar mais com a variação da pressão no interior dos cilindros no tempo da admissão.
O volume da câmara de combustão influencia diretamente na taxa de compressão, isto significa que, quanto maior a relação de compressão menor o volume da câmara. Portanto, menor quantidade de gases residuais ficará confinada no cilindro após o tempo da exaustão afetando a eficiência volumétrica. Outro motivo é a alta temperatura dos gases residuais, que aquece os gases de admissão aumentando a massa específica da mistura admitida prejudicando a eficiência volumétrica para 𝑝𝐸𝑝𝐴>1 ou com carga parcial (ROENSCH e HUGHES, 1951) e (CHEN e FLYNN, 1965).
Entretanto, para 𝑝𝐸𝑝𝐴<1 ou motores sobrealimentados, a correlação entre eficiência volumétrica e a taxa de compressão é inversa, ou seja, quanto maior for à câmara de combustão, mais quantidade de gases de admissão pode adentrar no cilindro no final do tempo da exaustão empurrando os gases residuais para o escapamento, isso ocorre devido à 𝑝𝐴>𝑝𝐸.
3.6.1 Limitações da Taxa de Compressão
Em motores à gasolina, álcool ou gás natural (GNV), a taxa de compressão é restringida pela capacidade antidetonante do combustível com o objetivo de evitar um fenômeno destrutivo chamado detonação (TURNS, 2013).
"A detonação é a autoignição brusca de toda uma grande massa de mistura ainda não queimada na câmara de combustão" (BRUNETTI, 2012). Assim sendo, a detonação é uma combustão descontrolada e violenta que ocorre espontaneamente em um local específico da câmara de combustão, em um momento não propício. Consequentemente, este fenômeno proporciona um gradiente muito elevado de pressão através do aparecimento de oscilações da pressão no final da combustão (HEYWOOD, 1988).
No motor, no entanto, também pode ocorrer a pré-ignição que, diferentemente da detonação, ocorre antes das velas de ignição do combustível gerar a faísca. Isto acontece devido à ocorrência de pontos extremamente quentes, provenientes do ciclo anterior da queima do combustível, que aquece a mistura e deflagra o início do processo de oxidação do combustível. A pré-ignição é menos violenta que a detonação e pode ser favorecida pelos pontos quentes nas velas ou em outros pontos da câmara de combustão, ou ainda pela carbonização da gasolina que gera um deposito de carvão que fica incandescente e precipita a queima (CHALLEN e BARANESCU, 1999).
3.7 Tempo do início da ignição do combustível
Um dos fatores que propiciam a ocorrência da detonação é o avanço excessivo da faísca da vela de ignição, resultando na antecipação da queima de combustível, como verificado na fig. 25. Como consequência deste avanço, a pressão máxima proveniente da queima, ocorrerá quando o volume no interior no cilindro for mínimo. O tempo de ignição adiantado gera uma alta pressão devido à queima ser rápida e acontecer próximo ao PMS, limitando os limites da razão de compressão e o grau de octanagem do combustível (MOURA et al, 2008).
Figura 25: Faísca muito adiantada provocando um trabalho negativo considerável (BRUNETTI, 2012).
Por outro lado, uma queima atrasada, fig. 26, gera um processo de combustão lento e consequentemente uma baixa pressão devido a pressão máxima ocorrer em um instante que o volume no interior do cilindro é alto e gerando assim uma combustão incompleta (MOURA et al, 2008).
Figura 26: Faísca muito atrasada provocando um pequeno trabalho (BRUNETTI, 2012).
Desta forma, o tempo ideal de início da queima deverá se apoiar no limite operacional e na capacidade antidetonante do combustível utilizado. A fig. 27 mostra a faísca no tempo ideal.
Figura 27: Faísca no instante ideal (BRUNETTI, 2012).
A pressão e a temperatura interna dos cilindros são responsáveis pela detonação e o meio para poupar o motor é controlar o momento da faísca das velas de ignição a fim de prevenir este fenômeno. Também, o formato da câmara de combustão, a localização das velas e o nível de turbulência da mistura admitida influenciam a detonação (BASSHUISEN, 2004).
Contudo, o avanço da ignição será modificado à medida que ocorram variações no comportamento do motor, podendo a central eletrônica (ECU) escolher o avanço da ignição para máximo torque, ou escolher o avanço para a posição limite para que não aconteça à detonação (BLAIR, 1999).
Uma reação do motor à detonação é o atraso da ignição, caso a mesma seja detectada pela central eletrônica. Esta manobra ocorre a fim de evitar a detonação em detrimento do aumento da pressão devido à mudança do ponto ideal de ignição. Com esta mudança, o torque gerado pelo motor irá reduzir. Isto ocorre porque a central eletrônica, ao detectar esta anomalia, modifica o ponto de centelha da vela com o intuito de se preservar os componentes que estão em contato direto com a combustão (pistão, válvula, cilindro e outros) (LUMLEY, 1999).
O motor consegue detectar a detonação devido à existência de acelerômetros instalados no bloco que captam um eventual aumento da vibração. Em centrais mais atuais, é possível detectar em qual cilindro está ocorrendo à detonação e retardar o avanço da ignição apenas na vela correta (BRUNETTI, 2012). Por essa razão, não se torna válido utilizar uma alta taxa de compressão caso não se utilize um combustível que a suporte.
O ideal é que o avanço da ignição seja modificado à medida que ocorram alterações nas condições de operações do motor, produzindo assim a máxima eficiência e torque possíveis. No entanto, em motores projetados para possuir alta taxa de compressão, como os motores flexíveis brasileiros, há uma maior possibilidade de que o avanço da ignição para o máximo torque seja menor que o avanço para evitar a detonação, sobretudo em altas cargas e na utilização de combustíveis com baixa octanagem (BARROS, 2003).
4. METODOLOGIA E RESTRIÇÕES
4.1 O software lotus engine simulation - LES
A utilização de ferramentas de simulação de motores de combustão interna é essencial no campo da engenharia. A partir destas ferramentas é possível, avaliar as características de performance do motor. Atualmente, existem vários pacotes comerciais para resolver problemas de engenharia relacionados a projetos e otimização de motores de combustão interna. Segundo Duleba (2014) os principais pacotes comerciais de simulação de motores utilizados na indústria automotiva são: Ricardo Wave (RW), Lotus Engine Simulation (LESoft), AVL fire, GT-Power e Diesel-RK. Estes pacotes comerciais assemelham-se nos propósitos e na funcionalidade, ou seja, eles necessitam de parâmetros de entrada detalhados para simular o funcionamento do motor de forma integrada em vez de usar diferentes subsistemas.
Neste contexto, a disponibilidade comercial do LES surgiu a partir da utilização bem-sucedida destes programas em muitos projetos de motores e de veículos da Lotus ao longo dos últimos 15 anos (Duleba, 2014).
Este software é capaz de modelar os processos de combustão, de fluxo de gás, assim como, computar os parâmetros e ao mesmo tempo, considerando a influência da transferência de calor e os fenômenos de atrito. Desta forma o software representa uma ferramenta interessante para a otimização de parâmetros e processos dinâmicos do motor.
Neste programa é possível prever o desempenho de um determinado motor após ser construído e após estipulada uma série de valores iniciais específicos do motor, tais como: curso do pistão, diâmetro do cilindro, comprimento da biela, taxa de compressão, dimensões dos coletores, dimensões das válvulas, faixa de rotações do motor, razão ar-combustível,
temperatura e pressão na admissão, dados relativos ao fluxo de calor nas fronteiras do motor e a quantidade de calor liberada durante a combustão.
O LES disponibiliza como padrão algumas condições de operações que são comuns nas simulações em motores, como por exemplo, temperatura atmosférica, pressão atmosférica, valores inerentes ao combustível gasolina entre outros. Um segundo conjunto de variáveis é alterado à medida que contribui para o ganho significativo da eficiência volumétrica. Como exemplo, a morfologia das tubulações de admissão e escape, os ângulos de abertura e fechamento das válvulas.
A solução numérica utilizada no LES tem como fundamento a resolução das equações de transporte baseada nos princípios de conservação de energia, de movimento e de massa.
O LES dispõe também de simulações paramétricas, que otimizam o funcionamento do motor. Após uma série de parâmetros iniciais a serem definidos, como o intervalo em que as válvulas podem iniciar sua abertura e fechamento, o software simula todos os possíveis comportamentos das válvulas com o objetivo de encontrar o melhor enchimento dos cilindros.
A partir dos valores encontrados, os modelos podem ser refinados, novamente simulados e verificados até começarem a convergir para um determinado valor. O programa cria um sistema de pontos, onde são representados os melhores ângulos para as melhores eficiências volumétricas. A partir dos resultados obtidos novas simulações podem ser reiniciadas com o intuito de melhorar o desempenho do motor.
Outra característica do software refere-se à limitação de otimização de dois parâmetros por vez. Contudo, foram necessários definir o diâmetro e comprimento dos dutos e os ângulos de abertura de fechamento das válvulas de admissão e de escape, totalizando oito parâmetros. Estes valores não definidos e que serão otimizados no futuro, deva ser estabelecida inicialmente apenas para que seja iniciada as simulações. Após os primeiros
resultados, os mesmos serão modificados à medida que forem aparecendo os novos resultados.
Esta elevada dependência entre várias variáveis, e ao mesmo tempo possuir uma restrição de otimização de apenas dois parâmetros, causa uma dificuldade para início da simulação paramétrica. Esta dificuldade traduz-se na falta de informação de parâmetros não simulados.
Neste contexto, a proposta do trabalho foi à simulação numérica unidimensional de um motor de combustão interna considerando a análise de eficiência do motor simulado, as variações instantâneas das propriedades dos gases nos coletores de entrada e saída e na transferência de calor no interior dos cilindros utilizando o LES. Desta forma foi possível avaliar o desempenho do motor em relação ao comportamento do ângulo de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape, visando melhorar a eficiência volumétrica.
4.2 Simulação paramétrica dos tubos de admissão e escape
No intuito de encontrar o momento adequado para abertura e fechamento das válvulas foi necessário definir as dimensões das tubulações de admissão e de escape. Portanto, o aperfeiçoamento do comportamento das válvulas está intrínseco à geometria das tubulações de admissão e escape (CERDOUN et al., 2016).
Na simulação paramétrica da tubulação se define como condição inicial os ângulos de abertura e fechamento das válvulas a ser inseridos no programa. Nesta etapa, ainda, não ocorreram às otimizações das válvulas, então a solução foi estipular os ângulos de abertura e fechamento das mesmas, segundo definições de Arias-Paz (2010). Estas definições referem-se ao avanço da abertura da válvula de admissão entre 10° a 40°, sendo mais comum a 15° e o atraso do fechamento entre 45° a 100°, sendo mais comum a 60°. Com
relação à válvula de escape, o avanço da abertura está entre 45° a 90°, sendo mais recorrente a 40° e o atraso do fechamento entre 0° a 60°, sendo mais recorrente a 20°.
Desta forma, foi definido que a válvula de admissão abrirá a 15° antes do ponto morto superior, PMS, e fechará a 60° depois do ponto morto inferior, PMI. Quanto à válvula de escape, sua abertura será a 40° antes do PMI e fechamento a 20° após o PMS. Esta configuração ocorrerá apenas durante as otimizações das tubulações.
No entanto, os valores encontrados inicialmente na simulação paramétrica do comprimento e diâmetro das tubulações de admissão e escape não representam o melhor desempenho do motor simulado. Isto é devido às condições iniciais generalistas que sofreram influência da escolha antecipada do comportamento das válvulas.
Foi avaliado, primeiramente, o funcionamento do motor sem as tubulações de admissão e escape. A partir deste teste obteve-se as figuras de potência, torque, consumo específico e eficiência volumétrica no intervalo entre mil e sete mil rotações por minuto com o objetivo de comparar com os resultados após as otimizações das tubulações.
Após escolhidas às definições e as condições de teste, foi possível iniciar as simulações paramétricas das tubulações de escape e, logo em seguida, as simulações das tubulações de admissão.
Todavia, ao simular os tubos de escape, ainda não existiam os tubos de admissão, o que fez com que os resultados fossem influenciados devido à falta do conjunto de tubulações na entrada e saída do motor. Logo, foi necessário, depois de simuladas as tubulações de admissão, reiniciar as simulações paramétricas no escape e, consecutivamente, na admissão. Isto ocorreu sucessivamente até ser observado que os resultados de todas as tubulações, após cada simulação convergiam para um único valor.
4.3 Simulação paramétrica das válvulas de admissão e escape
Concluído o dimensionamento dos dutos, foi possível começar as simulações paramétricas do comportamento das válvulas de admissão e escape. No início da simulação, foi considerada no PMS a abertura da válvula de admissão no começo do primeiro tempo e o fechamento da válvula de escape no término do tempo da exaustão. No PMI o fechamento da válvula de admissão e a abertura da válvula de escape.
Adotou-se 0° graus para todos os ângulos de abertura e fechamento das válvulas até o fim da primeira simulação, pois a partir deste resultado, novos ângulos começarão a aparecer e novas simulações ocorrerão com o intuito de encontrar o ponto ótimo para uma melhor eficiência volumétrica.
Devido à restrição da simulação paramétrica, conforme enfatizado no item 3.1, foi necessário simular separadamente as válvulas. A primeira escolha para o aperfeiçoamento foi o ângulo de fechamento da válvula de escape e a abertura da válvula de admissão, uma vez que em motores de ciclo Otto existe uma sobreposição das válvulas no final do tempo da exaustão e início do tempo da admissão. Basicamente, foi adiantar a abertura da válvula de entrada e atrasar o fechamento da válvula de exaustão, observando que ambas devem ficar abertas ao mesmo tempo.
A segunda simulação paramétrica ocorreu com a abertura e fechamento da válvula de admissão, considerando que na abertura a simulação ocorrerá a partir do resultado da primeira. E, finalizando o primeiro ciclo, com a terceira simulação com a abertura e fechamento da válvula de escape, foram utilizados os resultados da primeira e segunda simulações.
Na simulação paramétrica do LES foi realizada uma série de interações dentro de um intervalo pré-estabelecido e com uma precisão, que define o espaço entre ângulos que o software testa para aumentar a exatidão de cada interação.
A precisão empregada foi de 10° graus, e foi mantido até o momento em que os resultados não se alteraram com relação ao ciclo anterior. Isto se deu até a nona simulação. Nesta, foi observado que a precisão necessitava aumentar, pois os valores encontrados estavam convergindo para um resultado específico e progressões não estavam mais ocorrendo o que exigiu um novo intervalo entre ângulos, reduzindo o para 5° graus. E, a partir da décima primeira simulação, a precisão foi reduzido novamente para 1° grau até o término das simulações.
4.4 Motores e condições de operação
Há um consenso entre os pesquisadores de motores de combustão interna, tais como, Baker (2014), Barros (2003) e Edgar (2012) em que enfatizam que o motor é um equipamento capaz de transformar energia calorífica em energia mecânica com o objetivo de obter um movimento para esta máquina. No caso de veículos, os motores de combustão interna são a principal forma de obtenção de propulsão. Neles, é realizada a queima de combustível no interior de uma câmara de combustão. Nesta situação, o fluido de trabalho participa diretamente da combustão e esta, conforme enfatizado por Kuo (2005) e Turns (2013), é uma reação química que ocorrerá entre um hidrocarboneto e o ar provocando uma reação exotérmica. Os produtos desta reação conterão substâncias poluentes e nocivas à vida humana, tais como: CO, CO2, NOx entre outros caracterizando uma combustão incompleta. Nesta condição é importante verificar a contribuição do estudo do tempo de abertura e fechamento da válvula de admissão e escape com relação ao desempenho e a eficiência do motor.
Para realizar a análise supracitada do motor na simulação com o software LOTUS foi utilizado um motor de ignição por centelha de quatro tempos, contendo um cilindro arrefecido à água. Na configuração deste motor para a simulação fez-se necessário definir os parâmetros de funcionamento indispensáveis para o teste. Entretanto, alguns parâmetros como: folgas internas, materiais das superfícies, dimensões, modelo de combustão, massa do pistão e biela, rugosidade das paredes internas das tubulações de admissão e de escape, foram considerados sem alterações, assumindo os valores padrão do programa.
Quanto à posição do pistão no interior do cilindro para a simulação fez-se necessário definir o diâmetro (D), curso do pistão (C) e a taxa de compressão (rv). Sendo definido, conforme (BRUNETTI, 2012), o curso do pistão é a distância percorrida pelo mesmo quando se desloca de um ponto morto para outro. A fig. 28 ilustra estas nomenclaturas.
Figura 28: Representação da nomenclatura referente às posições do pistão (BRUNETTI, 2012).
Ainda, segundo (BRUNETTI, 2012), a taxa de compressão é a relação entre o volume total (V1) e o volume morto (V2), e representa em quantas vezes (V1) é reduzido. Portanto,
rv=V1V2 Eq. 4.1
Sendo V1 e V2 representados na fig. 28.
Desta forma, o diâmetro, o curso do pistão e a taxa de compressão, respectivamente, são 87 mm, 84 mm e 9,5. Estes valores foram indicados pelo próprio LES devido, principalmente, aos parâmetros definidos inicialmente.
Com estes parâmetros definidos calculou-se, segundo (BRUNETTI, 2012), a cilindrada total do motor simulado (Vd), da seguinte maneira,
Vd=Vdu×Z Eq. 4.2
Onde Vdu refere-se ao volume deslocado útil e Z o número de cilindros do motor. O volume deslocado útil, segundo (BRUNETTI, 2012), foi definido como,
Vdu=π×D24C Eq. 4.3
Essas nomenclaturas podem ser visualizadas na fig. 28.
Desta forma, o valor obtido para a cilindrada total do motor simulado, conforme eqs. (2 e 3), foi igual a 500 cm³ ou 0,5 litros.
Quanto ao diâmetro das válvulas foi possível vinculá-lo com o diâmetro do cilindro. Para cabeçotes, conforme representado pela fig. 29, as dimensões podem variar de 35% a 37% do diâmetro do cilindro para as válvulas de admissão e de 28% a 32% para as válvulas de escape conforme (Heywood, 1988).
Contudo, foi escolhido o diâmetro de 28 mm para cada válvula de admissão, uma razão de 32% do diâmetro do cilindro e proposto um diâmetro de 25,2 mm para cada válvula de escape, gerando assim uma razão de 29% do cilindro.
Figura 29: Câmara de combustão tipo telhado, típica de motores com quatro válvulas por cilindro (Heywood, 1988).
Outra característica importante para o desempenho de um motor é a elevação ou abertura da válvula que, de acordo com Pereira (2004), é o curso que a mesma percorre desde totalmente fechada até sua abertura máxima. De acordo com as definições de Lumley (1999) e Heywood (1988) referente a esse curso, há diferentes padrões para o seu movimento. Segundo Lumley (1999) a abertura máximo aceitável deverá ser cerca de ¼ do diâmetro da válvula e, para Heywood (1988), deverá ser próximo de 12% do diâmetro do cilindro. Com o intuito de satisfazer ambos os critérios, foi considerado a abertura de 8,5 mm para as válvulas de admissão e 8 mm para o escape.
A figura 30 mostra o sistema de admissão do motor simulado. O objeto (CYL1) representa o cilindro do motor. O componente (INL1) a captação do ar atmosférico nas tubulações de admissão. O elemento (PORT2) simboliza o assento da válvula que, segundo Rommer (2011), é a acomodação da válvula no cabeçote. Finalmente, o elemento (PVAL1) representa a válvula de admissão.
Quanto às tubulações de admissão, foram adicionados dois tubos representados na fig. 30. Nesta figura, o ponto (PIP1) de 100 mm de comprimento, 39 mm de diâmetro e 4 mm espessura na admissão, está imediatamente na entrada do cilindro no interior do bloco do motor. Neste ponto ele encontra-se no interior do cabeçote e em contato direto com a água de arrefecimento do bloco do motor. Desta forma, foi definido no programa, que o tubo será arrefecido em água.
Outro duto adicionado à montante do (PIP1) foi o (PIP3), vide fig. 30. Esta foi à tubulação otimizada através da simulação paramétrica do LES, todavia os resultados foram 350 mm para o comprimento e 39 mm para a largura. No que tange ao arrefecimento desta, escolheu-se a imersão em ar atmosférico. Isto foi necessário, pois este conduto está fora do cabeçote e não dispõe de refrigeração à água.
Quanto ao plenum (PLEN1), fig. 30, foi inserido um com volume de 2,5 litros, definido pelo programa, à jusante do corpo da borboleta (THRT1) e, nesta simulação, foi considerada a aceleração em plena carga, ou seja, 100 % de abertura da borboleta.
Figura 30: Esquema construtivo da admissão do motor para as simulações - Lotus Engine Simulation (2016)
A figura 31 refere ao sistema de exaustão do motor, em que o (CYL1) é o cilindro e os elementos (PVAL2) e (PORT1) representam, respectivamente, o assento da válvula e a
válvula de escape. O componente (EXT1) simboliza a saída dos gases de exaustão para a atmosférica.
Com relação aos dutos de exaustão também foram inseridos dois, conforme fig. 31. O primeiro (PIP2) está no interior do cabeçote e possui as seguintes características: 100 mm de comprimento, 31 mm de diâmetro e 4 mm de espessura das paredes e está em contato direto com a água de arrefecimento do bloco do motor. O segundo (PIP4), também foi dimensionado visando a melhor eficiência do motor e os resultados foram: 500 mm para o comprimento e diâmetro de 31 mm. Como padrão do programa foi definido como 4 mm a espessura da tubulação.
Figura 31: Esquema construtivo do escape do motor para as simulações - Lotus Engine Simulation (2016)
Como um motor convencional precisa estar adaptado às dimensões impostas pela carcaça do veículo, as tubulações apresentam uma acentuada curvatura para moldar-se à estrutura do automóvel. O mesmo pode acontecer com o “plenum”, pois devido ao seu significativo volume, precisa respeitar limites determinados pelo espaço limitado pelo chassi onde o motor será inserido (PROVASE et al., 2014).
Na figura 32 é observado todo o esquema construtivo do motor simulado.
Figura 32: Esquema construtivo de todo o motor simulado - Lotus Engine Simulation (2016)
Contudo, na tab. 4.1 é observado os dados implementados ao programa antes de iniciar as simulações.
Tabela 4.1: Parâmetros adicionados no LES
4.5 Modelo numérico
O uso do pacote do Lotus Engine Simulation será fundamental para que a pesquisa proposta seja realizada, melhorando assim a abrangência do conhecimento do funcionamento dos motores de combustão interna. No LES é possível prever o desempenho de um determinado motor após o modelo matemático ser construído e estipulados uma série valores iniciais de funcionamento como as especificações do motor, dos coletores, combustível utilizado etc.
A solução numérica aconteceu com a resolução das equações de transporte baseada nos princípios de quantidade de energia, movimento e na conservação de massa.
É levando em conta na análise de eficiência do motor simulado as variações instantâneas das propriedades dos gases nos coletores de entrada e saída e na transferência de calor no interior dos cilindros, contudo toda uma abordagem de mecânicas dos fluidos do escoamento dos gases e de transferência de calor foi realizada.
Para iniciar as simulações, foi necessário inserir as especificações escolhida do motor como curso do pistão, diâmetro do cilindro, comprimento da biela, taxa de compressão, dimensões dos coletores, dimensões das válvulas, velocidades de rotação do motor, razão ar-combustível, temperatura e pressão na admissão e dados relativos à transferência de calor na combustão.
As condições de operação do software estão definidas segundo o fator de que os valores serão introduzidos segundo o padrão do programa que se compõe de valores ou características que são comuns na generalidade dos motores, como por exemplo, temperatura atmosférica, pressão atmosférica, valores inerente do combustível gasolina etc. Um segundo conjunto de variáveis foi alterado à medida que contribui para o ganho significativo da eficiência volumétrico e consequentemente do torque, como por exemplo a morfologia das tubulações de admissão e escape e o comportamento dinâmico das válvulas, constituindo os parâmetros em estudo deste trabalho.
Após escolhida essas definições e as condições de teste foi possível iniciar as simulações.
Segundo o Group Lotus (2016), para encontrar a potência nominal Ẇ em Kw, basta conhecer a arquitetura básica do motor automotivo que é definida pela sua cilindrada Vcilindros em litros, a rotação do motor 𝑛 e a pressão média efetiva 𝑃𝑛em bar, sendo o denominador 1200 para conversão de unidades, vide eq. 4.4.
Ẇ=𝑃𝑛Vcilindros𝑛1200 Eq. 4.4
A pressão média efetiva (BMEP) é influenciada pela relação ar-combustível 𝐹𝑉 e o calor específico da combustão 𝐻𝑓, conforme eq. 4.5.
𝑃𝑛=𝐻𝑓𝐹𝑉ηtηv ηcomb Eq. 4.5
Sendo ηcomb a eficiência da combustão, ηt a eficiência térmica e ηv a eficiência volumétrica.
As eq. 4.4 e 4.5 mostram a relação entre os fatores chaves que controlam o desempenho do motor. Embora a potência esteja diretamente conectada a rotação do motor, o desafio é manter uma alta eficiência volumétrica a altas velocidades. Os coletores de motores de combustão interna são altamente instáveis devido a propagação de ondas de pressão iniciadas durante o processo de carga e descarga do cilindro. Ao modificar a relação de pressão a montante da válvula de admissão e a jusante da válvula de escape, estas ondas de pressão podem ter um efeito significativo no enchimento e esvaziamento dos cilindros. O design dos sistemas de coletores e os perfis da câmera de combustão permitem que a massa de carga seja aumentada em toda a faixa de velocidade do motor.
O LES fornece uma ferramenta de construção do conceito para motores de aspiração natural que permite que usuário crie um modelo de simulação completo, especificando os três principais parâmetros: número de cilindros, cilindrada e rotação do motor. Tendo
entrado com esses valores, as configurações adicionais do motor são selecionadas a partir de vários modelos pré-definidos na interface do software e todo o processo de construção do modelo é completado em questões de segundos.
Após esta etapa, algumas definições dimensionais podem ser alteradas, como a relação de folgas internas, comprimento e diâmetro dos dutos, tamanho e disposição das válvulas dentre outras.
O LES usa fórmulas empíricas para realizar as primeiras estimativas dos tamanhos dos componentes, como o modelo do ressonador de Helmholtz para a sincronização ideal do coletor de admissão (WINTERBONE e PEARSON, 1999). Também estimativas são feitas para analisar os tamanhos das válvulas e aproximações dos perfis da câmera também são estipulados pelo LES (LIVENGOOD, ROGOWSKI e TAYLOR, 1952).
Uma vez que as configurações básicas do motor foram definidas, o modelo pode ser carregado diretamente no LES. Durante este processo, são definidos dois pontos de teste do motor, a primeira é o percentual de abertura da borboleta e a segunda é a faixa de velocidade operacional a ser simulada, especificando a relação de ar-combustível e condições do ambiente.
Também pode ser construído manualmente todo o layout do modelo, utilizando o ambiente construtor do software, como as tubulações, plenum, localização da borboleta e todos os componentes com o intuito de refinar o modelo a ser simulado.
Referentes aos fenômenos das ondas de pressão, o software é capaz de resolver as variações espacial e temporal das propriedades dos gases no coletor. Em termos de ganho na precisão e na velocidade de processamento, o LES assume o fluxo como compressível e quase unidimensional. Este tipo de modelo considera os efeitos sobre o fluxo da variação da área de seção transversal (𝐴) ao longo do eixo dos tubos, conforme mostrado na fig. 33, e inclui os efeitos do atrito da parede do tubo e transferência de calor como termos de origem.
Figura 33: Volume de controle em um duto.
As equações governantes tornam-se então:
Continuidade: 𝜕(𝜌𝐴)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝑢𝐴)𝜕𝑥=0 Eq. 4.6
Momento: 𝜕(𝜌𝑢𝐴)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝑢2+𝑝)𝐴𝜕𝑥−𝑝𝑑𝐴𝑑𝑥+12𝜌𝑢2𝑓𝜋𝐷=0 Eq. 4.7
Energia: 𝜕(𝜌𝑒0𝐴)𝜕𝑡+𝜕(𝜌𝑢ℎ0𝐴)𝜕𝑥−𝑞𝜌𝐴=0 Eq. 4.8
Sendo 𝜌 é a massa específica, 𝐴 é a área transversal do fluxo, 𝑢 é a velocidade no instante, 𝑝 é a pressão, 𝑓 é o coeficiente de atrito na superfície, 𝐷 é o diâmetro equivalente, 𝑒0 é a energia interna, ℎ0 é o coeficiente de transferência de calor e 𝑞 o fluxo de calor entre o gás e as paredes.
Essas relações constituem um conjunto de equações diferenciais parciais hiperbólicas não-lineares, e podem ser escritos em forma vetorial como:
𝜕𝑊𝜕𝑡+𝜕𝐴(𝑊)𝜕𝑥+𝐶=0 Eq. 4.9
Para:
𝑊=[𝜌𝐴𝜌𝑢𝐴𝜌𝑒0𝐴], 𝐴(𝑊)=[𝜌𝑢𝐴(𝜌𝑢2+𝑝)𝐴𝜌𝑢ℎ0𝐴], C=[0−𝑝𝑑𝐴𝑑𝑥0]+[0𝜌𝐺𝐴−𝜌𝑞𝐴]
Nessas equações, o fator de fricção da parede do tubo está incluído no termo 𝐺.
𝐺=12𝑢|𝑢|𝑓4𝐷 Eq. 4.10
Ainda segundo o Group Lotus (2016), o método numérico utilizado pelo software baseia-se no esquema Lex-Wendroff de dois passos, usado em conjunto com um limitador de fluxo não-linear simétrico, proporcionando uma precisão espacial e temporal de segunda ordem.
Este esquema é um membro da classe de esquemas de diferença finita de captura de choque que são capazes de manipular ondas de choque e fluxos supersônicos que podem ocorrer nos coletores de motores de alto desempenho (WINTERBONE e PEARSON, 1999). O limitador de fluxo, que é baseado no critério de variação total, ajuda a evitar a ocorrência de oscilações espúrias na solução quando as ondas de choque e as descontinuidades de contato são encontradas. O método Lax-Wendroff de duas etapas é um esquema centrado no espaço baseado no gabarito computacional mostrado abaixo na fig. 34.
Figura 34: Esquema computacional para o método Lax-Wendroff de dois passos.
O primeiro passo do esquema, usa diferenças centradas no espaço sobre os pontos [(𝑖+12)Δ𝑥,𝑛Δ𝑡] e [(𝑖−12)Δ𝑥,𝑛Δ𝑡], enquanto o segundo passo é um cálculo que usa uma diferença de tempo centrada sobre o ponto [𝑖Δ𝑥,(𝑛+12)Δ𝑡]. Assim, o esquema pode ser expresso na forma:
𝑊𝑖+1/2𝑛+1/2=12(𝑊𝑖+1𝑛+𝑊𝑖𝑛)−Δ𝑡2Δ𝑥(𝐴𝑖+1𝑛−𝐴𝑖𝑛)−Δ𝑡4(𝐶𝑖+1𝑛+𝐶𝑖𝑛) Eq. 4.11
e,
𝑊𝑖𝑛+1=𝑊𝑖𝑛−Δ𝑡Δ𝑥(𝐴𝑖+1/2𝑛+1/2−𝐴𝑖−1/2𝑛+1/2)−Δ𝑡2(𝐶𝑖+1/2𝑛+1/2+𝐶𝑖−1/2𝑛+1/2) Eq. 4.12
No LES, a interface entre os cálculos dinâmicos do gás no interior dos dutos e as condições de contorno é tratada usando o método de característica de malha.
Uma vez calculada a massa de ar, combustível e gás residual de escape no cilindro do motor, a próxima tarefa é simular a taxa de liberação de energia durante o processo de combustão. O LES usa um modelo de liberação de calor para este propósito, no qual a fração em massa do combustível queimado em qualquer instante é avaliada usando uma função Wiebe, ou a fração de massa queimada pode ser inserida diretamente. Para estudos de conceito, as linhas de tendência padrão para a fase e a duração da combustão são utilizadas para que a simulação não seja excessivamente restrita. A transferência de calor para as três principais superfícies compreendendo a câmara de combustão (cabeça do cilindro, pistão e revestimento) é avaliada a partir da diferença entre o valor instantâneo da temperatura do gás e a temperatura da superfície do metal. O último valor é inferido a partir de um simples cálculo de rede térmica. Os coeficientes de transferência de calor convectivos utilizados nestes cálculos são derivados das conhecidas relações semi-empirológicas de Annand, Woschni ou Eichelberg (DAVIS, 1987).
5. VALIDAÇÃO DO LES
5.1 Realização do ensaio experimental
Com o objetivo de validar os resultados simulados no Software LES, foi realizado um teste experimental utilizando o motor o motor Robin Subaru EH 17-2B que é monocilíndrico de combustão interna de quatro tempos a gasolina, fig. 35, presente no laboratório de motores da Universidade Federal de São João del-Rei. Os resultados experimentais foram comparados com o mesmo motor presente no Laboratório de Ciências Térmicas e Hidráulicas da Universidade Federal de Juiz de Fora por Silva e Alves (2017), com intuito de conferir as grandezas encontradas.
Figura 35: Motor de bancada Robin Subaru EH 17-2B presente no laboratório de motores da Universidade Federal de São João del-Rei.
Após posto em operação, o motor foi estabilizado a plena carga na rotação de 1300 rpm, a partir deste ponto o sistema de aquisição de dados coletou os valores presente na tab. 5.1. Estes passos ocorreram também para as rotações de 1715 rpm, 2180 rpm 2855 rpm e 3120 rpm.
Tabela 5.1: Resultados experimental (SILVA e ALVES, 2017).
5.1.1 Calculando as curvas características do motor
Para determinar a velocidade do fluxo de ar utilizando a equação de Bernoulli, segundo Çengel e Cimbala (2015), temos:
𝑃1𝜌+𝑉122+𝑔𝑍ℎ1=𝑃2𝜌+𝑉222+𝑔𝑍ℎ2 Eq. 5.1
Considerando:
𝑃 → a pressão.
𝑉 → a velocidade do fluxo de ar.
𝜌 → a massa específica do fluido.
𝑔 → a aceleração da gravidade.
𝑍ℎ → desnível do escoamento.
Sendo 𝑃𝜌 a energia de escoamento, 𝑉22 a energia cinética e 𝑔𝑍 a energia potencial. Considerando escoamento incompressível e estacionário ao longo de uma linha de corrente nas regiões de escoamento sem viscosidade e isolando a velocidade é possível simplificar para.
𝑉=√2 Δ𝑝𝜌(1−𝛽4) Eq. 5.2
Em que 𝛽 é a razão 𝑑𝐷 para a constrição
𝑑 → o menor diâmetro na constrição.
𝐷 → o maior diâmetro antes da constrição.
Em seguida, para calcular a vazão mássica, sem a presença de combustível, temos que:
ṁ𝑎=𝐴 𝑉 𝐶𝑑 Eq. 5.3
Para:
𝐴 → a área da secção transversal.
𝑉 → velocidade do escoamento.
𝐶𝑑 → o coeficiente de descarga.
Essa análise mostra que é possível determinar o escoamento através de uma restrição e medindo a diminuição da pressão devido ao aumento da velocidade no local da constrição.
Contudo na tab. 5.2 pode ser visto os resultados da vazão mássica.
Tabela 5.2: Vazão mássica na admissão.
A velocidade da eq. 5.3 foi obtida assumindo que não houve perda devido ao efeito do atrito, como é inevitável que haja perda de carga no escoamento, o mesmo pode ser calculada pela incorporação de um fator de correção chamada coeficiente de descarga 𝐶𝑑, cujo valor é menor que 1 e seu valor é obtido experimentalmente. Os valores exatos de 𝐶𝑑 dependem do projeto particular da obstrução e, portanto, os dados do fabricante devem ser consultados quando estiverem disponível (ÇENGEL E CIMBALA, 2015).
Segundo Heywood (1988), o coeficiente de descarga instantâneo 𝐶𝐷𝐼 é a relação entre a vazão real de gases que passam através da válvula de admissão e a vazão ideal, pode-se utilizar a equação:
𝐶𝐷𝐼=ṁ𝑎 𝜋𝑑𝑣24𝑃0(𝑅𝑇0)1/2(𝑃𝑜𝑢𝑡𝑃0)1/𝑘{2𝑘𝑘−1[1−(𝑃𝑜𝑢𝑡𝑃0)(𝑘−1)/𝑘]}1/2 Eq. 5.4
Sendo 𝑃𝑜𝑢𝑡 a pressão de saída 𝑃0 a pressão na entrada, ṁ𝑎 a vazão mássica na admissão, 𝑅 é a constante universal do gás ar, 𝑇0 a temperatura de admissão, 𝑑𝑣 é o diâmetro da passagem da válvula e 𝑘 é a relação entre calor específico à pressão constante é a volume constante.
Os valores de entrada foram:
Tabela 5.3: Valores experimental de entrada.
É observado que o coeficiente de descarga é feito submetendo-se o sistema de admissão a um escoamento em regime permanente, causado pela diferença de pressão constante.
O coeficiente de descarga 𝐶𝑑 pode ser calculado através da integração ao longo do tempo, para todo o intervalo da abertura e fechamento da válvula de admissão, pela expressão:
𝐶𝑑=∫𝐶𝐷𝐼𝑑𝜃𝐴𝑉𝐴𝐹𝑉𝐴𝐴𝑉𝐴−𝐹𝑉𝐴 Eq. 5.5
Onde 𝜃 é a posição angular do eixo virabrequim, 𝐴𝑉𝐴 o ângulo da abertura da válvula de admissão e 𝐹𝑉𝐴 o ângulo de fechamento da válvula de admissão. Obtendo os valores da tab. 5.4 para cada rotação.
Tabela 5.4: Coeficiente de descarga médio para cada rotação.
Para calcular a vazão mássica do combustível, foi necessário utilizar dados da tab. 5.1, considerando 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 de 740 Kg/ m³, logo:
ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏=𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑔𝑒𝑚 𝜌𝑐𝑜𝑚𝑏 Eq. 5.6
A razão ar/combustível 𝐹𝑉 pode ser calculada através da equação:
𝐹𝑉= ṁ𝑎ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏 Eq. 5.7
Pode-se calcular o consumo específico de combustível através da fórmula:
𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏=ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏 3600𝑃𝑒 1000 Eq. 5.8
Onde 𝑃𝑒 é a potência efetiva e os valores numéricos na fórmula representam a conversão de unidades.
Os resultados das fórmulas supracitadas podem ser vistos na tab. 5.5.
Tabela 5.5: Resultados dos valores calculados.
Nota-se que 𝐹𝑉 muda conforme a rotação varia, no entanto estes valores foram transportados para as simulações do LES com o intuito de aproximar os resultados experimentais e simulados.
Para calcular a eficiência volumétrica temos a seguinte equação segundo Oliveira (2002).
ηv= 2 ṁaρ𝑎Vcilindros n Eq. 5.9
Considerando Vcilindros igual 0,000172 m³, a massa especifica do ar ρa a temperatura de 21,5°C e pressão atmosférica de 1020 hPa de 1,204 Kg/m³, n a rotação do eixo virabrequim em rotações por segundo 𝑟𝑝𝑠 e considerando o 2 devido o motor ser de quatro tempos. Na tab. 5.7, seguem os resultados.
Tabela 5.7: Resultados dos cálculos da eficiência volumétrica.
Os escoamentos de gases podem ser considerados como incompressíveis se a mudanças de densidade estiverem abaixo de 5%, o que usualmente é o caso quando Ma < 0,3. Contudo, os efeitos da compressibilidade do ar podem ser desprezados para velocidades abaixo de cerca de 100 m/s (ÇENGEL E CIMBALA, 2015). O escoamento dos gases de admissão, neste cálculo, foi considerado incompressível, logo ρa não varia no decorrer do escoamento, portanto, o volume de cada porção permanece inalterado no decorrer do escoamento.
A eficiência térmica é encontrada através da relação entre a potência efetiva 𝑃𝑒 e o calor da combustão 𝐻𝑓, conforme eq. 5.10.
ɳ𝑡= 𝑃𝑒𝐻𝑓100 Eq. 5.10
Sendo o calor da combustão calculada através do seguinte cálculo:
𝐻𝑓=𝑝𝑐𝑖 ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏 106 Eq. 5.11
Sendo:
𝑝𝑐𝑖 → o poder calorífico inferior igual a 42,5 Mj/Kg.
Contudo, na tab. 5.8, pode ser visto os valores calculados da eficiência térmica.
Tabela 5.8: Resultado da eficiência térmica.
5.2 Simulação numérica do motor ensaiado
Para a construção do modelo virtual no LES, foi necessário coletar os dados construtivos do motor. Para tanto, com o objetivo de encontrar os ângulos de abertura e fechamento das válvulas de admissão e de escape, pois esta informação não está descrita no manual da máquina, foi preso um fio no eixo virabrequim na saída do motor no ponto onde existe uma marcação para montagem, fig. 36, correlacionando a posição do eixo com a posição do pistão. Quando a marca está na posição superior, significa que o pistão está no PMS. Também foi desmontada a tampa do cabeçote, para poder observar a posição das válvulas. Ao girar o eixo virabrequim, foi possível identificar o ponto que a válvula inicia sua abertura e termina o fechamento, nestes locais, o fio foi pintado. Isto ocorreu para as quatro posições de abertura e fechamento das válvulas. Ao medir a distância das marcas pintadas do fio e comparando com a circunferência do eixo, foi possível identificar os ângulos, que foram de 0,8° antes do PMS para a abertura da válvula de admissão e de 52° após o PMI para o seu fechamento. Com relação às válvulas de escape, foram encontrados 51° antes do PMI para a abertura e 0,2° após o PMS para seu fechamento.
Figura 36: Motor sem a tampa do cabeçote.
A figura 37 pode ser visto a captação do ar atmosférico para o plenum.
Figura 37: Captação do ar atmosférico do Plenum.
Outros dados coletados do motor foram:
 Diâmetro do pistão → 67 mm.
 Curso do pistão → 49 mm.
 Cilindrada → 172 cm³.
 Taxa de compressão → 8,5.
 Plenum → 92 litros.
 Diâmetro da entrada do plenum → 18,4 mm.
 Temperatura na entrada do plenum → 29°C.
 Diâmetro da tubulação de admissão → 85 mm.
 Comprimento da tubulação de admissão → 1050 mm.
 Diâmetro da válvula borboleta → 8 mm.
 Diâmetro da tubulação de exaustão → 29,8 mm.
 Comprimento da tubulação de exaustão → 2100 mm.
 Curso da válvula de admissão → 6,4 mm.
 Diâmetro da válvula de admissão → 21,6 mm.
 Curso da válvula de exaustão → 6,2 mm.
 Diâmetro da válvula de exaustão → 21 mm.
Com relação aos dados externos do laboratório, foram mensurados em:
 Umidade relativa do ar → 63%.
 Temperatura do ar atmosférico → 26°C.
 Temperatura do ar na entrada do plenum → 29,5°C.
 Pressão atmosférica → 988 mmHg.
A figura 38 pode ser visto o modelo completo construído no software LES do motor de bancada simulado para fins de validação.
Figura 38: Modelo construído no software Lotus Engine Simulation do motor Robin Subaru EH 17-2.
5.2.1 Confrontando os resultados experimentais e simulados
Após os ensaios no motor de bancada e as simulações no LES, foi possível comparar, fig. 39 a 43, a eficiência volumétrica, eficiência térmica, consumo específico de combustível, potência efetiva e o torque obtido pelo modelo numérico (linhas tracejadas) com o comportamento de um motor monocilíndrico de bancada (linhas contínuas).
Figura 39: Confronto da eficiência volumétrica do motor de bancada Robin Subaru EH 17-2 (linha contínua) e do LES (linha tracejada) após as simulações.
Figura 40: Confronto da eficiência térmica do motor de bancada Robin Subaru EH 17-2 (linha contínua) e do LES (linha tracejada) após as simulações.
Figura 41: Confronto do consumo específico do motor de bancada Robin Subaru EH 17-2 (linha contínua) e do LES (linha tracejada) após as simulações.
Figura 42: Confronto da potência efetiva do motor de bancada Robin Subaru EH 17-2 (linhas contínuas) e do LES (linhas tracejadas) após as simulações.
Figura 43: Confronto do torque do motor de bancada Robin Subaru EH 17-2 (linhas contínuas) e do LES (linhas tracejadas) após as simulações.
Na tab. 5.9 pode ser vista a diferença da vazão mássica do ar na admissão, segundo os dados simulados e experimentais. Contudo, como ṁ𝑎 é diretamente proporcional ao coeficiente de descarga 𝐶𝑑 e à eficiência volumétrica ηv, ocorreu que os dados obtidos na simulação no LES da eficiência volumétrica, fig. 39, tiveram um comportamento decrescente durante todas rotações, condizendo com a vazão mássica também decrescente da simulação. Entretanto, no experimento ocorreu de a eficiência volumétrica aumentar e depois abaixar, também combinando com os valores encontrados do coeficiente de descarga experimental, vide tab. 5.4.
Tabela 5.9: Comparação da vazão mássica na admissão para a simulação no LES e o teste experimental.
A tabela 5.10 mostra os valores de entrada das simulações segundo o LES.
Tabela 5.10: Valores de entrada da simulação.
A tabela 5.11 exibe os coeficientes de descarga para as simulações segundo as eq. 5.4 e 5.5.
Tabela 5.11: Coeficiente de descarga médio para cada rotação da simulação.
Segundo Winterbone e Person (1999) e Ceviz (2007), o que mais influencia na melhoria da eficiência volumétrica é a pressão na entrada da válvula de admissão, imediatamente antes de a mesma fechar. Contudo, a disparidade da eficiência volumétrica na simulação e no experimento pode ser explicada pelas diferenças das ondas de pressão entre os dois modelos que atuam favoravelmente à eficiência volumétrica. Desta forma, como a construção do modelo numérico é uma aproximação do modelo experimental, existem fatores de difícil exatidão ou acerto em que são inevitáveis as diferenças com o modelo experimental, entre eles a geometria dos coletores e dutos.
Estas diferenças geram pulsos de pressão distintos para o modelo numérico e experimental e, com o sincronismo com a abertura e fechamento da válvula de admissão, podem gerar uma defasagem na eficiência volumétrica entre os modelos.
Outras justificativas para este comportamento são devidas as variáveis não contempladas na simulação numérica, pois alguns valores são estipulados e muitas das
vezes não representam com a realidade, podendo ser as perdas de carga na admissão, fração de gases residuais, perdas de carga nas tubulações e conexões ou falhas em superfícies com saliências em contato com os gases em alta velocidade (RIBEIRO et al, 2008).
Segundo Rostek, Babiak e Wróblewski (2017), os fatores inerentes às condições do motor simulado ou sua situação de operação, também podem influenciar nos resultados. Um exemplo destes é a correta espessura do filme de óleo presente em todos os pontos de fricção, que podem alterar devido as modificações da viscosidade do óleo lubrificante provenientes das frequências irregulares de trocas do mesmo ou contato com partes oxidadas do motor, ou ainda da qualidade da manutenção preventiva oferecida ao motor. Estes itens são, portanto, de difícil mensuração para serem inseridos no software.
Também na simulação numérica, não foram inseridos os valores da frequência e amplitude da vibração do motor do laboratório pois, apesar do mesmo possuir lastro, não estava fixado em uma base. Segundo Harrison e Dunkley (2004), a rigidez da estrutura do motor e sua fixação podem influenciar no seu desempenho.
Segundo Streva, Pasa e Sodré (2011) o tempo em que a gasolina permanece parada, aguardando seu uso entre os experimentos, também pode influenciar nos resultados. Segundo suas pesquisas, após trinta dias com o combustível em contato com o ar atmosférico, ocorre um processo natural de oxidação devido ao seu envelhecimento em condições atmosféricas e, também, que o uso deste combustível pode aumentar o consumo e influenciar o comportamento do motor.
Existe também a possibilidade da ocorrência de corrosão no interior das tubulações que podem influenciar na rugosidade interna dos dutos ou na presença de saliências que podem gerar perda de carga do escoamento dos gases. Além disso, a frequência da aferição e calibragem dos sensores utilizados pode levar à discrepância dos valores mensurados no experimento.
Portanto, na prática, este ensaio mostrou que a eficiência volumétrica pelo modelo numérico é diferente que os dos dados obtidos experimentalmente, pois existem valores difíceis de serem mensurados na construção do protótipo no LES.
Quanto ao consumo específico de combustível, o mesmo variou pouco no experimento, apesar da razão de ar/combustível ser baixa para a rotação de 2855 rpm. Isto, devido à alta potência alcançada no experimento nesta rotação, fig. 42, pois o consumo específico é calculado através da relação da vazão de combustível pela potência efetiva, vide eq. 5.8. O mesmo não aconteceu na simulação, em que a potência foi baixa para esta rotação, gerando um pico no consumo específico.
A eficiência térmica na rotação de 2855 rpm, na simulação, também foi reduzida devido à baixa potência gerada e à alta quantidade de combustível alimentando o motor, pois a eficiência térmica é uma relação entre a potência efetiva 𝑃𝑒 e a vazão mássica de combustível ṁ𝑐𝑜𝑚𝑏, conforme eq. 5.10 e 5.11.
Com relação ao comportamento dos gases do motor de bancada Robin Subaru, na simulação numérica foi possível averiguar o comportamento dos gases de admissão a montante da válvula de admissão, fig. 44, onde as linhas verticais azuis representam a abertura e fechamento da válvula de admissão e as linhas verticais laranjas mostram as ocorrências de abertura e o fechamento da válvula de descarga. Foi possível observar que não ocorreu no duto de admissão o fenômeno de ressonância da pressão em todas as rotações simuladas (1) que possui grande influência na eficiência volumétrica. Este comportamento pode ser explicado pela não priorização do ressonador no projeto da geometria do duto de admissão com o volume do plenum. Também foi observado que ocorreu um retorno dos gases pela tubulação de admissão após a abertura da válvula de admissão, chegando a - 68 m/s a 1300 rpm (2) e - 104 m/s a 3120 rpm (3), ocorreu também um retorno dos gases pela admissão no momento da abertura da válvula de admissão de 725 e 839 K a 1300 e 3120 rpm (4) respectivamente. Quanto à vazão máxima, após a
abertura da válvula de admissão, ficou estagnada em um limite máximo próximo de 0,0073 kg/s (5).
Figura 44: Comportamento dos gases de admissão na entrada do cilindro a 1300 rpm (a) e 3120 rpm (b) (pressão, temperatura, vazão mássica e velocidade) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 45 mostra o comportamento dos gases de exaustão na saída do cilindro. Contudo, a 1.300 rpm (1) foi observado uma grande oscilação no escoamento destes gases, chegando a ficar negativo por alguns instantes. A 3.120 rpm esta oscilação diminuiu (2).
Figura 45: Comportamento dos gases de escape na saída do cilindro a 1003 rpm (a), e 3120 rpm (b) (pressão, temperatura, vazão mássica e velocidade) - Lotus Engine Simulation (2016).
Os resultados das simulações numéricas mostraram-se bastante satisfatórios, pois o modelo proposto reproduziu de forma esperada o comportamento da eficiência volumétrica, entretanto, ficou evidente que o modelo teórico possui uma eficiência maior em comparação com os dados da curva obtidos experimentalmente. Também é notório que o motor de bancada simulado possui toda a geometria dos dutos de admissão e plenum não otimizados causando uma deficiência no enchimento dos cilindros justificando a baixa eficiência volumétrica, pois o motor em questão não gera as ondas de pressão nos coletores de admissão.
6. SIMULAÇÕES E RESULTADOS
6.1 Simulações paramétricas dos dutos
A função dos dutos de admissão e escape é canalizar os gases que estão entrando e saindo do cilindro. O seu ideal dimensionamento tem a função de otimizar a eficiência volumétrica com a mínima redução de pressão, ou seja, reduzindo ao máximo as perdas por atrito do escoamento. Também garantir a homogeneização na entrada de todos os cilindros satisfazendo as características próprias de cada motor, principalmente dos efeitos pulsantes nas tubulações (HANRIOT, 2001).
O comportamento dos gases que percorrem desde a entrada até a saída do motor de combustão interna é considerado transiente. A pressão, a temperatura e a velocidade das moléculas no decorrer do duto variam com o tempo. No interior do cilindro, ocorrerá constantemente uma variação do volume interno que produzirá variações de pressão, temperatura e massa específica do gás ocasionando também variações de velocidade nos dutos de admissão e escape à medida que as válvulas abrem ou se fecham (BLAIR, 1999).
Os objetivos ao se atentar pelo dimensionamento dos dutos de admissão segundo Heisler (1995) são:
 Garantir a mesma perda de carga para cada cilindro.
 Otimizar diâmetros dos dutos para as velocidades dos gases serem ideais.
 Maximizar o comprimento dos dutos e consequentemente a inércia dos gases.
 Evitar interferências entre os cilindros.
 Assegurar a mesma distribuição de combustível para cada cilindro.
Contudo, o dimensionamento dos dutos de admissão e escape deve ser realizado antes do estudo do comportamento das válvulas, pois existe uma influência muito forte entre estas duas peças. Na simulação paramétrica da tubulação se define como condição inicial os ângulos de abertura e fechamento das válvulas a ser inseridos no programa. Como nesta etapa os ângulos de abertura e fechamento das válvulas ainda não foram definidos, então a solução foi estipular os ângulos de abertura e fechamento das mesmas, segundo definições de Arias-Paz (2010) e esclarecido no subitem 4.2 deste trabalho.
Desta forma, conforme observado na fig. 46, sendo a secção circular azul o tempo de abertura da válvula de admissão e a secção laranja da válvula de escape, foi definido que a válvula de admissão abrirá a 15° antes do PMS (1), e fechará a 60° depois do PMI (2). Quanto à válvula de escape, sua abertura será a 40° antes do PMI (3) e fechamento a 20° após o PMS (4). Esta configuração ocorrerá apenas durante as otimizações das tubulações.
Figura 46: Diagrama de abertura e fechamento das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016)
A figura 47 gerado pelo LES mostra o perfil do movimento das válvulas, onde o eixo vertical é o curso da válvula e o eixo horizontal mostra a variação dos ângulos do eixo virabrequim.
Figura 47: Perfil de abertura e fechamento das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016)
No entanto, os valores encontrados inicialmente na simulação paramétrica do comprimento e diâmetro das tubulações de admissão e escape não representam o
desempenho ideal do motor simulado. Isto é devido às condições iniciais generalistas que sofreram influência da escolha antecipada do comportamento das válvulas.
6.1.1 Dimensionamento dos dutos de escape
Após definido o comportamento das válvulas, foi iniciado as simulações paramétricas das tubulações de escape, nesta etapa, foi necessário definir o intervalo de comprimento e diâmetro dos dutos de escape em que a simulação ocorrerá. O intervalo escolhido foi de 350 mm a 600 mm para o comprimento e de 28 mm a 37 mm para o diâmetro. A partir desta escolha, o LES faz uma série de combinações entre estes valores identificando a eficiência volumétrica para cada geometria de tubulação de escape paras as rotações de mil a sete mil RPM. As escolhas dos intervalos iniciais de comprimento e diâmetro foram feitas baseada em inúmeras simulações precedentes, em que os resultados foram analisados e escolhidos os valores para iniciar as simulações.
As figuras 48 a 54 mostram a representação do gráfico de contorno da eficiência volumétrica com a variação do comprimento da tubulação de escape, no eixo horizontal, em comparação com o diâmetro, eixo vertical, para cada rotação simulada. É observada a grande variação da eficiência volumétrica do motor com a variação da geometria do duto de escape ou com a modificação da rotação.
Figura 48: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 1000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 49: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 2000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 50: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 3000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 51: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 4000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 52: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 5000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 53: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 6000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 54: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape a 7000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Para tanto, dentro de todo esse universo de resultados, é necessário definir um único comprimento e diâmetro para a tubulação de descarga. A fig. 55 mostra o confronto de todos os gráficos com o objetivo de evidenciar a variação da eficiência volumétrica no eixo da ordenada com a rotação do motor no eixo da abscissa. É observada, em vermelho, a maior eficiência volumétrica para todas as combinações de comprimento e diâmetro sendo estes valores de 500 mm e 31 mm respectivamente. O gráfico amarelo mostra a configuração original do motor.
Figura 55: Resultados das simulações paramétrica com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape - Lotus Engine Simulation (2016)
6.1.2 Dimensionamento dos dutos de admissão
As escolhas dos intervalos iniciais da geometria dos dutos de admissão, em que serão realizadas combinações nas simulações paramétricas, foram de 250 mm a 450 mm para o comprimento e 34 mm a 44 mm para o diâmetro. Para a discussão e análise dos resultados obtidos relativos aos dutos é conveniente analisar o mapa de curvas de rendimento volumétrico das figuras 56 a 62 que, mostram a representação do gráfico de contorno da eficiência volumétrica com a variação do comprimento da tubulação de escape, no eixo horizontal, em comparação com o diâmetro, eixo vertical, para cada rotação simulada. Conforme é possível apreciar nesses mapas, os valores da eficiência volumétrica vão se alterando conforme se varia o comprimento dos tubos, representado no eixo das abcissas e o valor do diâmetro que é mostrado no eixo das ordenadas.
Figura 56: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 1000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 57: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 2000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 58: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 3000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 59: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 4000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 60: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 5000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 61: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 6000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Figura 62: Gráfico de contorno com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão a 7000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016)
Dentro dos valores encontrados nas simulações, um gráfico foi elaborado sobrepondo todas as curvas de eficiência volumétrica com as rotações simuladas, fig. 63, que evidencia o melhor resultado como o gráfico em vermelho, que foi gerado com 350 mm para o comprimento e 39 mm para o diâmetro da tubulação de admissão. O gráfico amarelo mostra a configuração original do motor.
Figura 63: Resultados das simulações paramétrica com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de admissão - Lotus Engine Simulation (2016)
6.1.3 Avaliação dos resultados do aperfeiçoamento dos dutos
As simulações a seguir serão realizadas utilizando tubulações de admissão e de escape dimensionadas. Todo o sistema de admissão convencional de um motor consiste em uma tomada de ar, dutos que conduzem o ar atmosférico até o interior dos cilindros, essas uniões formam um longo canal curvo onde os gases atravessam.
Ao se dimensionar os dutos de admissão e escape, pode-se observar uma real diferença no comportamento do motor em comparação com uma possível situação do motor sem a presença dos dutos. Com o intuito de verificar este ganho, a fig. 64 compara a potência (linha preta), torque (linha azul), consumo específico (linha vermelha) e pressão média efetiva (linha verde) do motor com as tubulações recém-dimensionadas (linhas tracejadas) e em uma situação do motor sem as tubulações (linha contínua).
O torque máximo após os dimensionamentos dos dutos foi de 53 Nm (5,4 kgfm) a 4.918 rpm (1), isso ocorreu devido ao aumento de pressão através da maior capacidade de enchimento dos cilindros. Comparando com a simulação que não usa os dutos, o torque máximo foi de 40 Nm (4,07 kgfm) a 2.595 rpm (2), logo com a modificação proposta o motor teve um aumento de 32,5% de torque, este ganho ocorreu com a rotação acima de 2.714 rpm. Referente à potência, o ganho foi de 24% em uma rotação menor, foram 25 KW (33,99 cv) a 7000 rpm e 32 KW (43,5 cv) a 6.143 rpm (3) para a nova configuração.
Pode-se verificar também na fig. 64 que, com a variação da rotação, a pressão média efetiva BMEP (linha verde), tende e diminuir com pico máximo a 4.918 rpm (1). A pressão no interior dos cilindros é máxima nesta rotação, aproximadamente 13,4 bar, pois neste ponto, a geometria dos dutos de admissão e os ângulos de abertura e fechamento das válvulas, estão melhor sincronizados nesta rotação. Já consumo específico de combustível (linha vermelha), aumenta conforme aumenta a rotação, por consequência da maior injeção de combustível, que acontece a cada ciclo termodinâmico.
Figura 64: Comparativo da simulação com dutos (linhas tracejadas) e sem dutos (linhas contínuas) (Torque, Potência, Pressão Média Efetiva e Consumo Específico) - Lotus Engine Simulation (2016).
Segundo Group Lotus PLC (2016), O aumento do torque acontece devido ao efeito dos ajustes do sistema de admissão, que aumenta a pressão a montante da válvula de admissão em altas rotações devido à excitação dos gases no sistema de admissão, na sua frequência de ressonância. Também, com o uso das tubulações, maior será a inércia adquirida pelos gases, principalmente com o aumento da velocidade do motor, pois maior será a energia adquirida e consequentemente, maiores serão os diferenciais de pressões.
A pressão média efetiva (BMEP - Brake Mean Effective Pressure) segundo Heywood (1988) é a pressão teórica durante curso descendente do pistão, produzindo o mesmo trabalho líquido desenvolvido pelo ciclo e é uma medida útil da capacidade de um motor de realizar trabalho, independentemente do deslocamento dos pistões.
Para cálculo da Pressão média efetiva, temos:
Pme= P ncVd n Eq. 6.1
ou,
Pme= T ncVd 2 π Eq. 6.2
Onde:
P → Potência de saída em Watts.
Pme → Pressão média efetiva principal em Pascal.
Vd → Volume deslocado do cilindro em m³.
nc → Número de revoluções por ciclo termodinâmico (p/ quatro tempos nc=2).
𝑛 → Número de rotações por segundo.
T → Torque em Nm.
Verifica-se também que, quanto maior for à pressão no cilindro, maior será o torque gerado pelo motor, pois mais rápida ocorrerá à reação de oxidação do combustível aumentado, de forma mais brusca, a pressão no interior dos cilindros.
Um ponto importante para se destacar é que a potência aumenta conforme o torque e a rotação aumentam. Quanto maior for à rotação, maior será a potência, justificando o motivo de a mesma continuar subindo, com o aumento da rotação, mesmo com o torque diminuindo, conforme é dada por:
P=2 π n T60 75 Eq. 6.3
Sendo:
P → potência dada em cavalo (cv);
T → torque gerado pelo motor em Kgf.m;
n → rotação dada em rotações por minuto (rpm).
A figura 65 mostra a eficiência volumétrica (linha preta) e os gases residuais (linha vermelha) do motor simulado e o resultado das simulações com as tubulações recém-dimensionadas (linhas tracejadas) e do motor sem as tubulações (linha contínua). A eficiência volumétrica teve um ganho significativo, saltando de 82% a 4.061 rpm (1) para 114,7% a 5.041 rpm (2), melhora de 40%. Vale ressaltar, que até 2.714 rpm (3), os valores encontrados após a simulação não melhoraram significativamente e que a real diferença começou a aparecer a partir desta rotação, onde o aumento da pressão, originado pelo aumento da eficiência volumétrica subiu significativamente.
Figura 65: Comparativo da simulação com dutos (linhas tracejadas) e sem dutos (linhas contínuas) (Eficiência Volumétrica, Gases Residuais) - Lotus Engine Simulation (2016).
De forma numérica, é possível fazer uma conexão com a fração residual dos gases de combustão com a eficiência volumétrica, conforme (FERGUSON, 1986).
ηv=𝑟(1−𝑓)𝑣𝑖(60 75)𝑣1 Eq. 6.4
Sendo:
ηv → eficiência volumétrica;
𝑣𝑖 → volume inicial;
𝑣1 → volume final;
𝑟 → taxa de compressão.
60 x 75 → conversão de unidade.
A fração do resíduo 𝑓 é dado pela eq. 6.5.
𝑓=𝑇4𝑃𝐸𝑟𝑇𝑒𝑃4 Eq. 6.5
Sendo:
𝑇𝑒 → temperatura de exaustão;
𝑇4 → temperatura final de expansão;
𝑃𝐸 → pressão de escape.
Com o aumento da razão PAPE ocorre uma diminuição da fração residual e consequentemente um aumento da eficiência volumétrica. A fig. 66 mostra a redução da eficiência volumétrica à medida que ocorre um aumento da fração residual dos gases.
Figura 66: Eficiência volumétrica teórica x fração residual dos gases. Extraído de eficiência volumétrica em motor monocilíndrico de combustão interna a gasolina (RIBEIRO, 2008).
A figura 67 mostra o comportamento dos gases imediatamente a montante da válvula de admissão. As linhas verticais azuis representam a abertura (AVA) e fechamento (FVA) da válvula de admissão e as linhas verticais laranjas mostram as ocorrências de abertura (AVE) e o fechamento (FVE) da válvula de descarga. As rotações escolhidas para evidenciar no gráfico foram de 3.327 rpm, 4.061 rpm e 5.041 rpm. Nestas rotações, ocorreram de a válvula de admissão abrir no pico de pressão, fig. 67 (a) (1), ou seja, a abertura da válvula de admissão está configurada no ponto correto, maximizando desta forma a eficiência volumétrica.
A variação da onda de pressão na tubulação de admissão no momento em que as válvulas de admissão estão fechadas é muito grande. Logo para altas rotações, as ondas de pressões devem coincidir com a abertura das válvulas, para aperfeiçoar o enchimento dos cilindros (ANDREATTA, 2016).
Observa-se também a existência da inércia inicial após a abertura da válvula de admissão (2), o ar-combustível demora de 8° a 12° de rotação do eixo virabrequim para sair do repouso e começar a entrar nos cilindros, fig. 67 (c) e (d). O fato de existir a tubulação de admissão, faz com que toda a massa de gases presentes do duto saia do repouso e comece a se deslocar, a inércia inicial é diretamente proporcional ao comprimento dos dutos. Há 3.327 rpm (3) ocorreu dos gases residuais retornarem pela tubulação de admissão no momento da abertura da válvula de admissão, isso aconteceu devido à pressão de admissão ser menor que pressão dos gases residuais, pA<pE justificando o pico de temperatura de 838,5 K na fig. 67 (b). Outro fato interessante é que após a válvula de escape fechar (4), as velocidades dos gases de admissão param de aumentar e fica constante momentaneamente, isso mostra que o efeito da depressão gerada pelos gases de exaustão estava auxiliando a admissão no overlap. Após o fechamento das válvulas de escape as velocidades dos gases de admissão demoram de 15° a 20° para voltar a crescer, desta vez gerada pelo movimento descendente do pistão.
A vazão mássica e a velocidade tendem a ficar negativo, fig. 67 (c), logo quando o pistão alcança o PMI (5) no tempo da admissão, indo a -32,1 m/s a 3327 rpm, -24,7 m/s a 4061 rpm e -7,7 m/s a 5041 rpm. Este comportamento mostra que o fechamento da válvula de admissão pode adiantar, pois o fato da inércia de movimento deste gás ser pequeno, a vazão cessa e começa a voltar pela entrada logo quando o pistão para de aspirar, diminuindo a eficiência volumétrica. Isso significa que a escolha de fechar a válvula a 60°
após o ponto morto inferior é conveniente apenas para altas rotações e, para rotações mais baixas, o motor está perdendo eficiência.
Figura 67: Comportamento dos gases de admissão na entrada do cilindro (temperatura, velocidade e vazão mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 68, representam a pressão, temperatura, velocidade e o fluxo de massa na entrada do cilindro a 1000 rpm no decorrer dos quatro tempos do motor. É notório que a pressão (1) oscila pouco e que quase não se altera com a abertura da válvula de admissão. Uma característica interessante da simulação a 1000 rpm é que na curva da temperatura, observa-se que a mesma dá um salto de 332 K para 746 K (2) logo após a abertura da válvula de admissão. Este fenômeno e explicado pelo retorno dos gases de escape pela tubulação de admissão, onde o fluido atinge uma velocidade de retorno de -5 m/s (3), mostrando que, para baixas rotações, as válvulas de escape poderiam atrasar um
pouco a abertura. Outra característica é que, faltando 8° para o pistão chegar ao ponto morto inferior (PMI), no tempo da admissão, os gases começam a retornar novamente pela tubulação de admissão, atingindo uma velocidade de -8,4 m/s a 40° após o PMI (4), mostrando que o tempo de abertura das válvulas de admissão não está configurado para esta rotação.
Figura 68: Comportamento dos gases de admissão na entrada do cilindro a 1000 rpm (pressão, temperatura, velocidade e vazão mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
Contudo, a fig. 69 (b) mostra a temperatura e vazão mássica dos gases de exaustão à jusante da válvula de escape. O momento em que a válvula de escape abre e o produto da queima escoa pelo o escapamento com alta vazão mássica. Á medida que a rotação aumenta, o pico da vazão mássica tende a aumentar, chegando a 0,14 kg/s a 3.327 rpm, 0,18 kg/s a 4.061 rpm e finalmente a 0,21 m/s a 5.041 rpm. A simulação mostra que à
medida que a rotação diminui, o fechamento da válvula de escape pode adiantar, ficando mais próxima do PMS, pois a vazão mássica possui pouco valor a baixas rotações (1).
Entretanto, a 5.041 rpm, fig. 69 (a) (2), é observado que 8° antes da válvula de escape fechar, a temperatura teve uma queda chegando a 512,9 K, mostrando que possivelmente, ocorreu uma fuga de ar-combustível pela exaustão.
Figura 69: Comportamento dos gases de exaustão na saída da válvula de escape (Temperatura e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 70 mostra o comportamento dos gases de escape a rotação de 1000 rpm. A variação da pressão de descarga (1) que é caracterizada por uma onda quase sinusoidal de amplitude em decomposição.
Figura 70: Comportamento dos gases de escape na saída do cilindro a 1000 rpm (pressão, temperatura, velocidade e vazão mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
As válvulas de escape estão configuradas, neste motor, para abrirem 40° antes do ponto morto inferior, para que a própria pressão remanescente inicie a expulsão dos gases para a atmosfera. À medida que o pistão aproxima do PMI, fig. 71, a força na vertical, gerada pela pressão na câmara de combustão tende a ficar paralela ao braço do eixo virabrequim que liga a biela ao centro de giro da peça. Com isso, a partir da metade do curso do pistão (a), quando o eixo virabrequim está a 90° após o PMS, o torque é maior em comparação quando o pistão está se aproximando do PMI (b), e não possui valor com o pistão no PMI (c). Logo, é interessante que a abertura das válvulas aconteça antes do PMI,
para que os gases de exaustão comecem a escapar em um ponto em que o torque gerado é muito pequeno.
Figura 71: Variação do torque gerado no eixo virabrequim à medida que o pistão aproxima do PMI (Elaborada pelo autor).
6.2 Simulações paramétricas das válvulas
Concluído o dimensionamento dos dutos, foi possível começar as simulações paramétricas do comportamento das válvulas de admissão e escape. Para início de simulação, foram considerados: a abertura das válvulas de admissão (1) e o fechamento das válvulas de escape (4) no PMS e a abertura da válvula de escape (3) e fechamento da de admissão (2) no PMI, conforme fig. 72. Em azul, mostra-se o período em que a válvula de admissão permanecerá aberta e em laranja o intervalo da abertura da válvula de escape. Contudo, foram adotados 0° graus para todos os ângulos de fechamento e abertura das válvulas até o término da primeira simulação, desta forma, a partir dos resultados das
primeiras simulações paramétricas, esses valores foram alterados com o intuito de encontrar o ponto ótimo visando uma melhor eficiência volumétrica.
Figura 72: Ciclo mecânico do comportamento das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 73, mostra mais detalhadamente, o perfil do comportamento dinâmico da válvula, gerado pelo LES, considerado para a primeira simulação, onde o eixo vertical é o curso da válvula e o eixo horizontal mostra a variação dos ângulos do eixo virabrequim.
Figura 73: Comportamento dinâmico das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016).
A versão do software utilizado possui uma restrição nas simulações paramétricas, apenas duas variáveis podem ser otimizadas por simulação. Como ao todo são quatro as variáveis, foi necessário simular separadamente as válvulas. A primeira escolha para o aperfeiçoamento foi o ângulo de fechamento da válvula de escape e a abertura da válvula de admissão, ponto esse conhecido como overlap, em que ambas as válvulas devem ficar abertas ao mesmo tempo.
A segunda simulação paramétrica ocorrerá com a abertura e fechamento da válvula de admissão, considerando que na abertura a simulação ocorrerá a partir do resultado da primeira. E, finalizando o primeiro ciclo, com a terceira simulação com a abertura e fechamento da válvula de escape que foram utilizados os resultados da primeira e segunda simulação.
Foram necessárias vinte e uma simulações paramétricas com o objetivo de encontrar quais os ângulos de abertura e fechamento das válvulas de admissão e de escape são ideais para o motor simulado, visando à eficiência volumétrica. Após a última simulação, em que vários tempos de aberturas e fechamentos de todas as válvulas foram representados e testados, foi notada uma melhoria significativa no desempenho do motor simulado.
Como na simulação paramétrica foi realizada uma série de combinações de ângulos das válvulas, dentro de um intervalo, até encontrar a melhor eficiência volumétrica, quanto maior for à quantidade destas combinações na simulação, maior será a precisão dos resultados. Em contrapartida, maior será o tempo de processamento. Contudo uma menor precisão foi escolhida no início das simulações e, a partir que novos resultados foram sendo encontrado, o intervalo de simulações pode ser reduzido, pois foi observado que os resultados estavam convergindo para um valor específico. A partir disto, a precisão pode ser aumentada com a redução do intervalo de simulações.
Na figura 74 são observadas as variações dos resultados no decorrer das simulações. Contudo até a nona simulação, foi utilizada uma precisão de 10°, que é o intervalo entre ângulos que o LES testa para encontrar o melhor ponto, pois os valores encontrados convergiam para um resultado específico e não ocorrendo mais progressões. A partir deste ponto as simulações foram realizadas conforme os ciclos anteriores. Entretanto a precisão exigida nesta nova etapa foi de 5° do eixo virabrequim e, após a décima primeira simulação, para 1° devido ao mesmo motivo.
Após a vigésima primeira simulação, observou-se novamente que os resultados convergiam para um valor particular. Logo foram definidos estes resultados como os melhores ângulos para a abertura e fechamento das válvulas visando a melhor eficiência volumétrica com a precisão de 1°.
Figura 74: Valores encontrados da primeira até a vigésima primeira simulação com as consecutivas precisões utilizadas nas otimizações (Elaborada pelo autor).
6.2.1 Resultado das três primeiras simulações paramétricas
A primeira simulação paramétrica foi realizada utilizando os seguintes parâmetros iniciais:
 Variar a abertura da válvula de admissão entre 0° a 60°, com a precisão de 10°;
 Manter constante o fechamento da válvula de admissão em 0°;
 Manter constante a abertura da válvula de escape em 0°;
 Variar o fechamento da válvula de escape entre 0° a 60°, com a precisão de 10°.
Após quarenta e nove simulações, com o comportamento das válvulas supracitados, foi comparado todos os resultados na fig. 75, que mostra a variação da eficiência volumétrica, conforme muda o regime de rotação do motor. A linha verde representa a situação original. A linha vermelha representa a máxima eficiência volumétrica para todas as rotações dentre todas as simulações. O resultado obtido foi de 50° para o ângulo de abertura da válvula de admissão e 50° para o fechamento da válvula de escape.
Figura 75: Resultado da primeira simulação paramétrica no overlap - Lotus Engine Simulation (2016)
Na figura 76 é observado os melhores ângulos obtidos após a escolha do melhor resultado da primeira simulação paramétrica das válvulas, onde é mostrado a abertura das válvulas de admissão (1), o fechamento da válvulas de admissão (2), a abertura da válvula de escape (3) e o fechamento da válvula de escape (4).
Figura 76: Resultado da primeira simulação paramétrica no overlap, diagramada abertura das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016)
A segunda simulação paramétrica nas válvulas de admissão foi realizada seguindo os seguintes passos:
 Variar a abertura da válvula de admissão entre 10° a 50°, com a precisão de 10°;
 Variar o fechamento da válvula de admissão entre 0° a 60°, com a precisão de 10°;
 Manter constante a abertura da válvula de escape em 0°;
 Manter constante o fechamento da válvula de escape em 50°, resultado da simulação anterior.
O resultado obtido representado na fig. 77, é o resultado após trinta e cinco simulações, que mostra a linha vermelha como o melhor resultado pelo fato de possuir
melhor eficiência volumétrica. O resultado obtido foi que 50° antes do ponto morto superior é o melhor ponto para que aconteça a abertura da válvula de admissão, e 30° após o ponto morto inferior é o ponto otimizado para que a válvula de admissão se feche.
Figura 77: Resultado da segunda otimização paramétrica realizada nas válvulas de admissão - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 78 representa a configuração das aberturas e fechamentos das válvulas de admissão após a segunda parametrização, buscando a máxima eficiência volumétrica.
Figura 78: Resultado da segunda simulação paramétrica realizada nas válvulas de admissão, diagrama da abertura das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016).
Na terceira simulação, foram otimizados os ângulos de abertura e fechamento das válvulas de escape. A mesma seguiu os seguintes passos:
 Manter constante a abertura da válvula de admissão em 50°, resultado da simulação anterior;
 Manter constante o fechamento da válvula de admissão em 30°, resultado da simulação anterior;
 Variar a abertura da válvula de escape entre 20° a 40°, com a precisão de 10°;
 Variar o fechamento da válvula de escape entre 10° a 50°, com a precisão de 10°;
A figura 79 mostra o resultado da sequência de quinze simulações e os resultados nelas obtidos. Entretanto, existe um ponto em que se destaca, por possuir uma maior média de eficiência volumétrica, que é a linha vermelha.
Figura 79: Resultado da terceira otimização paramétrica realizada nas válvulas de escape - Lotus Engine Simulation (2016)
Os valores ideais encontrados por esta simulação foram: a abertura das válvulas de escape deve ser a 30° antes do PMI ainda no tempo da explosão, e seu fechamento a 50° após o PMS no tempo da admissão. Os resultados destas três primeiras simulações paramétricas foram de 50° para a abertura das válvulas de admissão, antes do PMS e de
30° para o fechamento da válvula de admissão, após o PMI. Quanto às válvulas de escape, o resultado encontrado foi de abrir a mesma 30° antes do PMI e fechar a 50° após o PMS, vide fig. 80.
Figura 80: Resultado da terceira simulação paramétrica, realizada nas válvulas de escape. Diagrama da abertura das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016).
Os ângulos podem ser melhor observados através do perfil do comportamento das válvulas, fig. 81, em que se nota uma sobreposição dos ângulos de abertura das válvulas, ponto chamado overlap, onde as mesmas encontram-se abertas ao mesmo tempo. Neste ponto é possível aproveitar a pressão negativa gerada pelos gases de escape para criar um maior diferencial de pressão no interior do cilindro e a tubulação de entrada. Desta forma mais ar irá entrar, aumentando a eficiência volumétrica e maximizando a explosão, contribuindo para uma maior liberação de energia na combustão (BRUNETTI, 2012).
Figura 81: Comportamento dinâmico das válvulas - Lotus Engine Simulation (2016).
6.2.2 Avaliação dos resultados das três primeiras simulações paramétricas
Encontrados os valores das três primeiras simulações paramétricas, pode-se compará-los aos resultados antes da otimização das válvulas, em que as mesmas abriam e fechavam no PMS e no PMI (linha contínua), com o resultado após as primeiras otimizações das válvulas (linha tracejada) fig. 82. Observa-se que o ganho na eficiência do motor ocorreu após 3.816 rpm (1), a partir desta rotação, a potência, torque e consumo de combustível ficaram acima em comparação a primeira simulação, em que a potência máxima do motor saiu de 20 KW (27,19 cv) e vai para 27 Kw (36,71 cv) apenas modificando-se o momento da abertura e fechamento das válvulas, obtendo-se assim, uma melhora de 35%. Já o torque máximo desponta de 48 Nm (4,89 kgfm) e vai para 53 Nm (5,40 kgfm), significando uma melhora de 10,4%. Contudo, abaixo de 3.816 rpm, não ocorreram melhoras no desempenho, sendo assim, a otimização até este ponto não aperfeiçoou o motor.
Figura 82: Comparação entre os valores iniciais antes do aperfeiçoamento, abertura e fechamento das válvulas a 0°, (linhas contínuas) e os resultados após a terceira simulação paramétrica (linhas tracejadas). (Torque, Potência, Pressão Média Efetiva e Consumo Específico) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 83 faz um comparativo entre as eficiências volumétricas e gases residuais antes da otimização das válvulas (linha contínua), e após a terceira simulação paramétrica (linhas tracejadas), com as adaptações dos novos valores dos ângulos de abertura e fechamento das válvulas. Pode-se observar um ganho na eficiência volumétrica após 3.816 rpm (1), entretanto, um fator preponderante na baixa eficiência volumétrica para baixas rotações é o alto percentual de gases residuais que não foram devidamente removidos da câmara de combustão, afetando a entrada do ar-combustível. Esses gases ocupam o espaço físico de toda a câmara e dificultam a diminuição da pressão no interior do cilindro. Também os gases de admissão têm sua temperatura aumentada pela grande massa de gases residuais presente na câmara, aumentando desta forma, a massa específica do ar-combustível afetando a eficiência volumétrica.
Figura 83: Comparação entre os valores iniciais e os resultados do primeiro ciclo de simulações paramétricas. (Eficiência Volumétrica e Gases Residuais) - Lotus Engine Simulation (2016)
A figura 84, representa a pressão, temperatura, velocidade e fluxo de massa, imediatamente na entrada do cilindro a 1.612,24 rpm no decorrer dos quatro tempos do motor. As linhas verticais azuis representam a abertura (AVA) e o fechamento (FVA) da válvula de admissão e, as linhas verticais laranjas, mostram as ocorrências de abertura (AVE) e de fechamento (FVE) da válvula de descarga. A vazão mássica e a velocidade tendem a ficarem negativos, por um longo período, logo quando a válvula de admissão abre no final do tempo da exaustão, chegando a -0,01 Kg/s (1) e -20,9 m/s (1) respectivamente, ou seja, ocorre o retorno dos gases pela admissão, evidenciado pelo aumento da temperatura neste momento (2), que alcança 772,1 K, mostrando que a abertura da válvula de admissão está adiantada para esta rotação. Também é evidenciado que o fechamento da válvula de admissão está atrasado para a rotação simulada, pois no início do tempo da compressão, ocorreu um retorno pela válvula de admissão dos gases, a velocidade de -11,6 m/s (3).
Figura 84: Comportamento dos gases de admissão na entrada dos cilindros a 1.612,24 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 85 mostra o comportamento dos gases de exaustão imediatamente na saída do cilindro na rotação de 1612,24 rpm. Neste ponto os gases de escape possuem um comportamento não favorável a eficiência volumétrica, em que, os mesmos fluem pelo escapamento e depois retornam a -63,2 m/s (1) e 62,9 m/s (2).
Figura 85: Comportamento dos gases de escape na saída dos cilindros a 1.612,24 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
O Longo período de retorno pela tubulação de admissão e pelo tubo de descarga dos gases residuais é o principal responsável pelo baixo valor da eficiência volumétrica, mostrando desta forma que os ângulos de abertura e fechamento das válvulas ficou com uma configuração priorizando particularmente altas rotações. Entretanto, é notório que esta configuração encontrada pode sofrer mais uma série de ciclos de simulações paramétrica para que seja melhorada.
6.2.3 Resultado da vigésima primeira simulação paramétrica
Até a terceira simulação paramétrica foram realizadas noventa e nove (99) simulações com o objetivo de otimizar os ângulos de abertura e fechamento das válvulas, não contando com as simulações para identificar o ganho de potência, torque, pressão média efetiva,
consumo específico, eficiência volumétrica e gases residuais do motor após a bateria de simulações paramétricas. Entretanto, após concluir as vinte e uma simulações, foram realizadas um total de seiscentos e noventa e três (693) interações nas simulações paramétricas e ao final de cada simulação, os resultados foram avaliados, escolhidos e ajustados para participar das novas combinações de simulações paramétricas.
O resultado pode ser observado na fig. 86, onde mostra que a válvula de admissão deve abrir a 23° (1) antes do PMS e a 55° (2) para o fechamento após o PMI. De 41° (3) antes do PMI para a abertura das válvulas de escape e de 31° (4) para o fechamento após o PMS.
Figura 86: Diagrama da abertura e fechamento das válvulas para o resultado da última
Abrir a válvula de admissão 23° antes do PMS e permanecer com a válvula de escape 31° aberta, após o PMS, irá gerar o overlap, que significa manter as duas válvulas abertas ao mesmo tempo, ou seja, aproveitar a pressão negativa gerada pela vazão em alta velocidade dos gases de escape para aspirar os gases de admissão após a abertura da válvula de entrada (BRUNETTI, 2012).
Antecipar a abertura da válvula de escape em 41° antes do PMI possui como finalidade aproveitar a pressão proveniente da queima do combustível para expulsar os
gases, sendo que neste ponto, pouco torque é gerado no eixo virabrequim pela pressão remanescente, pois o ângulo do virabrequim com o PMI está se aproximando de zero.
Atrasar o fechamento da válvula de admissão em 55° após o PMI possui como finalidade aproveitar a inércia do ar-combustível. Mesmo com o pistão tendo começado a subir, os gases de admissão continuam entrando por um breve período de tempo.
A figura 87 mostra a abertura das válvulas mediante a variação do ângulo do eixo virabrequim, referente ao resultado da última simulação, onde pode ser observada a sobreposição das aberturas das duas válvulas quando próximo a 360°.
Figura 87: Exibição do evento das fases das válvulas para o resultado da última simulação - Lotus Engine Simulation (2016).
As figuras 88 a 94 mostram o resultado da décima nona (19°) simulação paramétrica com a representação do gráfico de contorno da eficiência volumétrica com a variação dos ângulos de abertura da válvula de admissão (eixo horizontal) em um intervalo de 18° a 23°, e o fechamento da válvula de escape (eixo vertical) no intervalo de 19° a 31°. No entanto, é observada a grande variação da eficiência volumétrica do motor com a variação dos ângulos das válvulas e com a modificação da rotação.
Figura 88: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 1000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 89: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 2000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 90: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 3000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 91: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 4000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 92: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 5000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 93: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 6000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 94: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap a 7000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Dentro dos valores encontrados nas simulações, um gráfico foi elaborado sobrepondo todas as curvas de eficiência volumétrica com as rotações simuladas, fig. 95, que evidencia o melhor resultado com o gráfico em vermelho, que foi gerado com 23° para a abertura da válvula de admissão e 31° para o fechamento da válvula de escape.
Figura 95: Resultados das simulações paramétrica com a variação dos ângulos das válvulas no Overlap - Lotus Engine Simulation (2016).
As figuras 96 a 102 mostram o resultado da vigésima (20°) simulação paramétrica com a representação do gráfico de contorno da eficiência volumétrica com a variação dos ângulos de abertura da válvula de escape (eixo horizontal) em um intervalo de 38° a 42° e
fechamento também da válvula de escape (eixo vertical) em um intervalo de 38° a 42°. No entanto, é observada a grande variação da eficiência volumétrica do motor com a variação dos ângulos das válvulas e com a modificação da rotação.
Figura 96: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 1000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 97: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 2000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 98: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 3000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 99: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 4000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 100: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 5000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 101: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 6000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 102: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de exaustão a 7000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Dentro dos valores encontrados nas simulações, um gráfico foi elaborado sobrepondo todas as curvas de eficiência volumétrica com as rotações simuladas, fig. 103, que evidencia o melhor resultado com o gráfico em vermelho, que foi gerado com 41° para a abertura da válvula de escape e 31° para o fechamento da válvula de escape.
Figura 103: Resultados das simulações paramétrica com a variação dos ângulos da válvula de exaustão - Lotus Engine Simulation (2016)
As figuras 104 a 110 mostram o resultado da vigésima primeira simulação paramétrica com a representação do gráfico de contorno da eficiência volumétrica com a variação dos ângulos de abertura da válvula de admissão (eixo horizontal) em um intervalo de 20° a 24° e fechamento também da válvula de admissão (eixo vertical) em um intervalo de 58° a 62°. No entanto, também é observada a grande variação da eficiência volumétrica do motor com a variação dos ângulos das válvulas e com a modificação da rotação.
Figura 104: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 1000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 105: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 2000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 106: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 3000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 107: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 4000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 108: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 5000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 109: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 6000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Figura 110: Gráfico de contorno com a variação dos ângulos da válvula de admissão a 7000 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
Dentro dos valores encontrados nas simulações, um gráfico foi elaborado sobrepondo todas as curvas de eficiência volumétrica com as rotações simuladas, fig. 111, que evidencia o melhor resultado com o gráfico em vermelho, que foi gerado com 23° para a abertura da válvula de admissão e 55° para o fechamento da válvula de admissão.
Figura 111: Resultados das simulações paramétrica com a variação dos ângulos da válvula de admissão - Lotus Engine Simulation (2016).
6.2.3.1 Avaliação dos resultados após a vigésima primeira simulação paramétrica
Após a vigésima primeira simulação, em que vários tempos de aberturas e fechamentos de todas as válvulas foram representados e testados, notou-se uma melhora significativa no desempenho do motor ensaiado, fig. 112, onde as linhas contínuas representam o resultado após a terceira simulação e as linhas tracejadas representam o desempenho do motor após a última simulação.
Observa-se que ocorreu uma melhora do comportamento do motor testado, pois a potência máxima (linha preta) despontou de 26 Kw (35,35 cv) a 5.653 rpm (1) e foi para 29 Kw (39,43 cv) a 6.143 rpm (2) apenas modificando o momento da abertura e fechamento
das válvulas, obtendo-se assim uma melhora de 11,5%. Ao mesmo tempo, o torque máximo (linha azul) aumentou de 47 Nm (4,79 kgfm) a 5.041 rpm para 50 Nm (5,10 kgfm) à mesma rotação, resultando em uma melhora de 6,3%. Contudo, praticamente todo o regime de potência e torque ficaram acima dos valores encontrados na terceira simulação, salvo o intervalo de 2.225 rpm à 2.837 rpm (4). Com relação ao consumo de combustível, também houve melhoras, pois no ponto de máximo torque, houve uma redução de 7,5% do consumo de combustível e também, em todo regime de trabalho do motor, existiu ganhos no consumo principalmente abaixo de 1.490 rpm (5).
Figura 112: Comparação entre os valores encontrados após a terceira simulação (linha contínua) e os resultados da vigésima primeira (linha tracejada). (Potência, Torque, Pressão Média Efetiva e Consumo Específico) - Lotus Engine Simulation (2016).
Quanto à eficiência volumétrica, também incidiu um ganho em seu valor em quase todo o regime de rotações do motor para a nova configuração de abertura e fechamento das válvulas. Apenas no intervalo de 2.225 rpm à 2.837 rpm (1) não ocorreu, fig. 113. Fica evidente, ao comparar as fig. 113 e 112 que, quanto maior a eficiência volumétrica, melhor é
a eficiência do motor, pois rotações com grande capacidade de aspiração do ar atmosférico geram melhor potência, torque e consumo de combustíveis.
Figura 113: Comparação entre os valores encontrados após a terceira simulação (linha contínua) e os resultados da vigésima primeira (linha tracejada). (eficiência volumétrica e gases residuais) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 114 representa os dados dos gases imediatamente na entrada do cilindro a 2000 rpm, no decorrer dos quatro tempos do motor. Uma característica é que na curva da temperatura, observa-se que a mesma dá um salto de 326 K para 823 K (1), logo após a abertura da válvula de admissão. Este fenômeno é explicado devido ao retorno dos gases de escape pela tubulação de admissão, onde o fluido atingiu uma velocidade de retorno de -9,1 m/s (2), mostrando que, para baixas rotações, as válvulas de admissão poderiam atrasar um pouco a abertura.
Quanto às válvulas de escape, para a rotação de 2000 rpm, seu fechamento poderia ser adiantado, pois ocorreu um retorno do ar-combustível com velocidade de -16,3 m/s (3). O retorno dos gases de admissão mostrou que, quando o motor está em baixa rotação, a depressão formada pelos gases de escape é pequena e parte do produto da queima do
combustível e escapa pela tubulação de admissão antes de retornar novamente para o cilindro. Enquanto ocorre este movimento dos gases de escape, o ar de admissão não está entrando nos cilindros, diminuindo a eficiência volumétrica.
Após o fechamento da válvula de escape (4), a vazão mássica dos gases de admissão pela válvula na entrada do cilindro, estava em plena ascensão, isto mostra que o fato das válvulas ficarem abertas ao mesmo tempo auxiliou na admissão. Entretanto deve-se avaliar melhor se o ar-combustível está passando direto pela câmara e saindo pelo escape, perdendo assim combustível.
Figura 114: Comportamento dos gases medido no duto de admissão a 2000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 115 também mostra o comportamento dos gases de admissão a montante das válvulas de admissão a 4000 rpm, onde pode ser visto que não ocorre mais o retorno dos gases pela tubulação no início da admissão. Contudo, no final da aspiração do ar
atmosférico, quando o pistão começa a se mover em direção ao PMS o gás admitido retorna a -22,6 m/s (1), gerando um pico de pressão (2) confirmando que, mesmo após o LES ter otimizado o melhor ângulo de abertura e fechamento das válvulas para todas as rotações, visando à eficiência volumétrica, não é possível satisfazer as variadas condições conforme as velocidades dos gases vão se alterando.
Também se observa que no intervalo do overlap, momento esse em que as duas válvulas estão abertas ao mesmo tempo, a vazão mássica possui um pequeno pico de 0,03 Kg/s (3), entretanto aumenta significativamente após o fechamento das válvulas de escape. Este comportamento pode ser explicado pela baixa inércia dos gases de escape neste motor para esta rotação, onde os gases provenientes da queima do combustível estão retornando para o interior dos cilindros.
Figura 115: Comportamento dos gases medido no duto de admissão a 4000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
Na figura 116 é observado que, para altas rotações, não mais ocorre o retorno dos gases pela admissão, evidenciando que a abertura e fechamento das válvulas de admissão estão melhores adaptadas para altas rotações. Entretanto, após o fechamento da válvula de saída, ocorreu uma queda da velocidade dos gases de admissão entrando nos cilindros, que atingiu um pico de 78,4 m/s (1), corroborando para que esta pudesse possuir um maior atraso no seu fechamento para esta rotação, pois a pressão negativa, no interior dos cilindros, gerada pela vazão dos gases de escape durante o overlap, estavam otimizando a aspiração dos gases de admissão. Também é observado que, o momento da abertura da válvula de admissão, aconteceu quando a pressão no coletor de admissão era alta, 129.266,6 N/m² (2) melhorando o enchimento do cilindro.
Figura 116: Comportamento dos gases medido no duto de admissão a 6000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
A figura 117 enfatiza os dados dos gases imediatamente na saída do cilindro, pela tubulação de escape a 2000 rpm. No momento da abertura das válvulas de saída, os gases queimados fluem em alta velocidade alcançando um pico de 295,9 m/s (1) e logo em seguida, no intervalo de 30° após o PMI ocorreu uma queda brusca para -83,7 m/s (2). Observando o gráfico da pressão, também houve uma grande queda na saída do cilindro, partindo do pico de pressão de 168.686,2 N/m² (3) após o PMI, e chegando a 70.043,4 N/m² (4), resultante da variação da pressão que é caracterizada por uma onda quase sinusoidal de amplitude em decomposição. A decomposição da onda.

Quando as válvulas de saída se abrem, os gases resultantes da combustão fluem repentinamente pelos dutos de escape gerando efeitos pulsantes na tubulação (GUNSTON, 2010).
Figura 117: Comportamento dos gases medido no duto de escape a 2000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
Com o intuito comparativo, ao simular o comportamento dos gases de exaustão com o uso de silencioso e catalisador no final da tubulação de escape, foi possível verificar que o efeito pulsante dos gases de escape permanece. Entretanto, a 2.000 rpm, a pressão máxima teve um aumento, saindo de 168 KN/m² para 180 KN/m², fig. 118. Isto ocorreu devido à resistência ao escoamento dos componentes introduzidos no duto de escape.
Figura 118: Comportamento da pressão medido no duto de escape a 2000 rpm com uso de catalisador e silencioso - Lotus Engine Simulation (2016).

A 4000 rpm, segundo o resultado das simulações, as variações de pressão na saída do cilindro são menores, influenciando menos no fluxo de gases pelo escape e demandando menor necessidade de sincronismo do movimento das válvulas com a variações de pressões na tubulação, fig. 119. Também foi notada uma velocidade negativa de -5,1 m/s (1) que indica um retorno dos gases de escape para o cilindro.

O efeito de sucção dos gases de admissão pelos gases de exaustão possui pouco valor para esta rotação, devido à baixa velocidade e vazão no overlap dos gases de escape, justificando o pequeno valor da vazão mássica de gases entrando nos cilindros também no intervalo do overlap mostrado na fig. 117. Ou seja, para a rotação de 4000 rpm o fechamento da válvula de escape poderia adiantar 17°.
Figura 119: Comportamento dos gases medido no duto de escape a 4000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).
Um ponto interessante observado na fig. 120 é a baixa temperatura do gás saindo pela tubulação de escape próximo ao ponto de fechamento da válvula de exaustão (1), isto pode indicar que a 6000 rpm, neste motor, os gases de admissão estão passando direto pelo interior do cilindro e saindo pelo escape, revelando uma oportunidade de ajuste no ângulo de fechamento da válvula de escape.
Figura 120: Comportamento dos gases medido no duto de escape a 6000 rpm (Pressão, Temperatura, Velocidade e Vazão Mássica) - Lotus Engine Simulation (2016).

6.3 Discussões dos resultados
Na figura 121, pode-se observar o resultado da eficiência volumétrica e de gases residuais remanescentes no interior do cilindro após todas as simulações paramétricas. É observado, contudo que estes valores variam conforme a rotação do motor muda. Em algumas rotações ocorreram picos ou vale da eficiência volumétrica, com os respectivos valores: 73,2% a 2.591,84 rpm (1), 98,4% a 3.449 rpm (2), 107,4% a 4.061 rpm (3) e 117% a 5.040,82 rpm (4). A partir da rotação de 3.449 rpm, a eficiência volumétrica ficou maior que 100%, ou seja, o motor passou a ser sobrealimentado.
Figura 121: Resultado da eficiência volumétrica e gases residuais após as simulações paramétricas - Lotus Engine Simulation (2016).

Com o intuito de analisar qual comportamento dos gases de admissão que mais influência no ganho da eficiência volumétrica, foram realizadas mais cinquenta simulações, entre 1000 rpm a 7000 rpm seguindo em intervalos de 120 rpm, com o objetivo de identificar, dentre os inúmeros fenômenos de comportamento dos gases, qual possui a maior importância na eficiência volumétrica.
Foi identificado que a partir de 3.449 rpm, a pressão na tubulação próximo a válvula de admissão, no instante em que a mesma permanece aberta, foi maior que a pressão atmosférica, justificando a sobre alimentação. Esta sobre pressão ocorreu devido as oscilações da pressão dos gases de admissão. Contudo, esta variação da pressão foi responsável pelo ganho na eficiência volumétrica em várias rotações do motor, principalmente a 3.449 rpm, 4.061 rpm e 5.040,82 rpm em que a abertura da válvula de admissão ocorreu exatamente no pico de pressão.

A fig. 122 mostra a pressão dos gases a montante da válvula de admissão para as quatro rotações da figura supracitada. Contudo observou-se que na rotação de 2.591,84 rpm
(1), a onda de pressão é pequena, o que pouco influenciou na eficiência volumétrica. Foi observado também que, a 3.449 rpm (2) a pressão na admissão foi de 110.030 N/m², como foi considerada a pressão atmosférica de 100.000 N/m² nas simulações, a pressão neste instante foi 110% maior que a pressão atmosférica. O mesmo ocorreu para a rotação de 4.061 rpm, que a pressão no coletor foi de 115.454 N/m² (3), 115% da pressão atmosférica e a 5.040,82 rpm com a pressão no coletor chegando a 121.374,9 N/m², 121% da pressão atmosférica.

Como essas três rotações as válvulas de admissão abriram exatamente quando a pressão a montante da válvula era máxima, ocorreram ganhos substancial na eficiência volumétrica, pois a pressão do coletor de admissão no momento em que a válvula de admissão se abre, têm muita influência na eficiência volumétrica (ENGELMAN, 1973). Também foi observado que quanto maior for a pressão no momento em que a válvula está próxima de fechar, maior será a entrada de ar.
Figura 122: Pressão dos gases a montante da válvula de admissão para as rotações de 2591,84 rpm; 3449 rpm; 6061 rpm e 5.040,82 rpm - Lotus Engine Simulation (2016).
A carga e a descarga periódicas dos cilindros, em conjunto com o aumento da pressão gerada durante o processo de combustão, dá origem ao fluxo altamente instável nos coletores dos motores alternativos. O movimento descendente do pistão cria uma redução de pressão do cilindro que dá lugar a propagação de uma onda rarefeita no tubo de entrada do coletor (Group Lotus PLC, 2016).

O comportamento dos gases que percorrem desde a entrada até a saída do motor de combustão interna é considerado transiente. A pressão, a temperatura e a velocidade das moléculas no decorrer do duto variam com o tempo. No interior do cilindro, ocorrerá constantemente uma variação do volume interno que produzirá variações de pressão, temperatura e massa específica do gás, ocasionando também variações de velocidade nos dutos de admissão e escape à medida que as válvulas se abrem ou se fecham (BLAIR, 1999).

Em altas rotações, ocorrem menos oscilações no traçado da pressão, porque o tempo de propagação das ondas de pressão diminui, deste modo, é mais simples afinar o mecanismo de abertura das válvulas. Este fenômeno físico de ressonância que acontece nas tubulações de admissão do motor, ocorre devido ao abrir e fechar das válvulas de admissão que criam um fluxo pulsante de gases na tubulação de admissão e consequentemente os gradientes de pressão provocados geram ondas que se propagam por toda a tubulação nas duas direções.

Este fenômeno físico que acontece nas tubulações de admissão do motor ocorre devido ao abrir e fechar das válvulas de admissão que criam um fluxo pulsante de gases na tubulação de admissão e consequentemente os gradientes de pressão, provocando ondas que se propagam por toda a tubulação nas duas direções. Este fato tem que ser considerado no projeto do motor e as mesmas podem ser divididos em ondas de alta pressão e ondas de baixa pressão.
No momento em que as válvulas de admissão se abrem, é criada essa oscilação rarefeita que se move, partindo do cabeçote em direção ao plenum, onde sofre reflexão e retorna como uma onda de sobre pressão até as válvulas.

Contudo, a
geometria do plenum e das tubulações devem ser corretamente projetadas para que a maior pressão desta ondulação encontre as válvulas de admissão abertas, maximizando a entrada de ar-combustível no motor, simulando uma indução forçada (HEYWOOD, 1988).

Também existem outros possíveis motivos para a alta eficiência volumétrica, como por exemplo:
 Variáveis que não foram contempladas nas simulações como possíveis curvas dos dutos, perdas de cargas pontuais das tubulações etc.
 Ausência de filtros, catalisador e silencioso na simulação, que aumentam as perdas de cargas dos gases.
 Inexistência de limitações geométricas para as tubulações.
 Rugosidade internas das tubulações baixa (0,00150 mm), reduzindo desta forma, a perda de pressão do escoamento na admissão.
 Prioridade do LES de simular motores de alto desempenho, priorizando a eficiência volumétrica em altas rotações e prejudicando o mesmo em baixa (DUARTE, 2013).
 Sincronismo do comprimento, diâmetro e o ângulo de abertura das válvulas podem gerar uma oscilação da pressão que pode aumentar em 20% o fluxo de massa (ENGELMAN, 1974).

7. CONCLUSÃO
Referente ao comportamento das válvulas, os resultados mostraram que, para incrementar a eficiência volumétrica no motor simulado, a válvula de admissão deve abrir a 23° antes do ponto morto superior e a 55° para o fechamento após o ponto morto inferior. Este comportamento favoreceu muito o rendimento volumétrico do motor, principalmente em altas rotações, quando a velocidade dos gases que estão entrando é alta e possui uma grande inércia, contudo apesar do pistão começar a subir no tempo da compressão, esta inércia continua empurrando os gases de admissão para o interior do cilindro. Ao atrasar o fechamento destas válvulas ocorre a maximização da quantidade de massa de ar que entra nos cilindros.

O avanço da abertura da válvula de escape aconteceu por volta 41° antes do ponto morto inferior, assim, antes do término do tempo da expansão, é aproveitado o resquício de pressão existente no cilindro para empurrar os gases de escape para a saída. E para finalizar, o atraso do fechamento das válvulas de escape se deu de 31° para o fechamento após o ponto morto superior, apesar do tempo de a admissão já ter iniciado.

Este comportamento serve para criar uma depressão que irá auxiliar na aspiração dos gases antes mesmo do pistão começar a descida. A entrada antecipada ou o aumento da quantidade de massa de gases com baixa temperatura entrando nos cilindros permite baixar a temperatura global do cilindro e as válvulas, aumentando desta forma a eficiência volumétrica.
Para o ideal sincronismo com as válvulas, as tubulações devem possuir 500 mm e 31 mm para o comprimento e diâmetro no escape e 350 mm e 39 mm respectivamente para o comprimento e diâmetro na admissão.

Cabe também salientar que para diferentes rotações, ocorreram fluxos de gases com características diferentes entrando e saindo do motor, estas diferenças podem atingir velocidades altas ou baixas, qualquer variação de rotação implica em mudanças nas
velocidades do escoamento, atritos e alterações nos comportamentos dos gases, contudo, o ideal seria que os motores trabalhassem sempre nas mesmas rotações e cargas, o que na realidade não é possível em aplicações em veículos. Logo, a saída é dimensionar as válvulas, dutos de admissão e escape e o perfil dos comandos de válvulas para que os cilindros tenham o melhor enchimento em uma larga faixa de rotação, e não em uma única condição.

Ao comparar com o resultado final após a interação dos coletores com as válvulas, foi constatado que ocorreu um aumento de 11,5% da potência máxima e, referente ao torque, melhorou em 6,3%.

Quanto à eficiência volumétrica, também se incidiu um ganho em seu valor em quase todo o regime de rotações do motor para a nova configuração de abertura e fechamento das válvulas.
Foi observado também que, com a variação da rotação do motor, a velocidade dos gases de escapa irá variar, contudo, o efeito da depressão no interior do cilindro será diferente para cada rotação.

Quando o motor está em baixa rotação, este efeito formado pelos gases de escape é pequeno e parte do produto da queima de combustível escapa pela tubulação de admissão antes de retornar novamente após alguns ângulos de rotação do eixo virabrequim. Enquanto ocorre este movimento dos gases de escape, o ar de admissão não está entrando nos cilindros diminuindo a eficiência volumétrica, reduzindo o torque e respectivamente a eficiência. Com o aumento da rotação, parte do ar-combustível pode sair pela tubulação de escape devido ao excesso do efeito da depressão, diminuindo também a eficiência e o torque do motor.
Como, segundo as simulações, as ondas de baixas e altas pressões nos dutos influenciam fortemente na eficiência volumétrica do motor, contudo alterando a geometria do sistema de tubulações, o motor sofrerá mudanças, podendo ser benéficas ou não.

Estas pressões são muito importantes, pois controla a pressão positiva ou negativa que fica remanescente no cilindro do motor, que por sua vez, auxilia a aspiração do ar-combustível no momento em que a válvula de admissão se abre.
Existe, no entanto grande flexibilidade nos pontos de abertura e fechamento dependendo do tipo e aplicação do motor, sendo que motores projetados para trabalhar em alta rotação possuem ângulos de avanço mais proeminentes, o contrário acontece para motores que trabalham em baixas rotações.

O escoamento dos gases pela tubulação de admissão e escape e consequentemente o enchimento e esvaziamento dos cilindros, está fortemente ligada à dinâmica de abertura e fechamento das válvulas. Em geral, não existe uma fórmula generalista para definir os tempos corretos de abertura, fechamento e altura do levantamento das válvulas, pois tal configuração depende de inúmeros fatores e principalmente a aplicação do motor.
O modelo simulado pelo LES se mostrou útil na avaliação do comportamento da abertura e fechamento das válvulas de admissão e de escape de um motor de combustão interna. Também o aperfeiçoamento da geometria das tubulações de admissão e de escape teve grande êxito no que diz respeito a melhoras da eficiência do motor testado.

As simulações permitiram uma avaliação de baixo custo, possibilitando assim a conceituação de cada parâmetro do comportamento dos gases de admissão e de escape e permitindo uma avaliação do comportamento dos fenômenos envolvendo o escoamento dos gases pelas tubulações de um motor de combustão interna de movimento alternado.

Quando se comparado com dados de motores reais, o modelo utilizado pelo LES se mostrou coerente, entretanto, após aferições do modelo experimental, foram necessárias adaptações. Desta forma, os parâmetros determinados ainda podem ser otimizados, tornando o modelo mais preciso e próximo da realidade.
Conclui-se que o condicionamento obtido das geometrias das tubulações e perfil dos movimentos das válvulas garantiu o sincronismo do sistema, estimulando desta forma, o enchimento dos cilindros e consequentemente ganhos no torque, potência e consumo de combustível, evidenciando a importância dos estudos e investimentos nesta área.

8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Segue abaixo algumas sugestões para o prosseguimento desta pesquisa.
 Utilizando o LOTUS, encontrar um mapa de abertura das válvulas para um motor com o comando de válvula variável, pois o software possui uma ferramenta que permite este tipo de simulação.

 Realizar simulações paramétrica, utilizando o LOTUS, do motor que foi realizado o experimento no laboratório, com intuito de maximizar a geometria dos dutos e perfil de abertura das válvulas.

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