EFEITOS DO COMPRIMENTO DO CONDUTO DE ADMISSÃO NA PERFORMANCE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

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1 I Jornd Cintíic VI FIPA do CEFET Bmbuí Bmbuí/MG EFEITOS DO COMPRIMENTO DO CONDUTO DE ADMISSÃO NA PERFORMANCE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA José RICARDO SODRÉ; Rodrigo CAETANO COSTA; Rodrigo HERMAN DA SILVA* CEFET Bmbuí; PUC Mins RESUMO Est trblho prsnt rsultdos d dsmpnho d um motor d combustão intrn d ciclo otto d qutro tmpos, qutro cilindros, oito válvuls 999 cntímtros cúbicos d cilindrd, obtidos m tsts xprimntis m dinmômtro d bncd. Foi psquisd inluênci do comprimnto do conduto d dmissão no torqu, n potênci n prssão médi tiv. Os rsultdos ncontrdos mostrm qu m vlocidds d rotção do motor mis bixs o conduto d dmissão com mior comprimnto prsnt mlhor dsmpnho. Por outro ldo, com o mnor comprimnto do conduto d dmissão obtv-s um mlhor dsmpnho m vlocidds d rotção do motor mis lts. Plvrs-chv: Motor d combustão intrn, conduto d dmissão, torqu, potênci, prssão médi tiv 1. INTRODUÇÃO A gomtri do conduto d dmissão stá rlciond com nrgi cinétic do luido, qu por su vz, possui um inluênci no rndimnto volumétrico do motor. A nrgi cinétic d mss d r qu ntr no cilindro possui um corrlção com o comprimnto ár d sção trnsvrsl do conduto. Pr vlocidds mis bixs d rotção do motor, o conduto qu dot um mior comprimnto, proporcion um mior gru d nchimnto do motor. O msmo ito ocorr qundo é dotdo um conduto d ár d sção trnsvrsl mnor, produzindo um ito inrcil mis ort. A iciênci dos motors d combustão intrn dpnd dirtmnt do provitmnto dos nômnos inrciis trnsints qu ocorrm no sistm d dmissão xustão do motor. Ests sistms possum dimnsionmnto conigurçõs gométrics dirncids, com inlidd d tndr os objtivos do projto, tis como curv d potênci, curv d torqu curv do consumo spcíico d combustívl dsjd. O objtivo dst trblho é invstigr inluênci do comprimnto do conduto d dmissão n potênci, no torqu n prssão médi tiv d um motor d combustão intrn d ciclo otto d qutro tmpos, qutro cilindros 999 cntímtros cúbicos d cilindrd, vrindo vlocidd d rotção d árvor d mnivls. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A principl unção dos condutos d dmissão m motors d combustão intrn é conduzir o r d tmosr té os cilindros, distribuindo ntr ls mss d r dmitid. Entrtnto, lm d dmissão d r, os condutos têm unção d otimizr iciênci volumétric dos motors, produzindo bixs prds d prssão o longo do scomnto do r. Ess scomnto é ito trvés d sistms gométricos. Isto signiic qu o comprimnto o diâmtro do conduto, vntulmnt câmrs intrmdiáris, têm um ppl undmntl no dsnvolvimnto dst sistm. Lv-s m cont os itos d scomnto pulsnt com vriçõs tmporl spcil (Hnriot, 2001). O r no intrior do conduto d dmissão possui um nrgi cinétic (nrgi d movimnto). Ess contúdo nrgético, s oportunmnt provitdo, pod dtrminr um mior comprssão no intrior do cilindro xtmnt no momnto m qu válvul d dmissão d ch. Cri-s ntão um ont d sobr-limntção nturl dvido à inérci dos gss d dmissão, mlhorndo iciênci volumétric (Hywood, 1988). Bnjs t l, (1997) nlisrm os condutos d dmissão lvndo m cont dois subsistms sprdos, o pistão válvul, qu s movm priodicmnt tum como ont d xcitção, * Endrço pr corrspondênci do utor rsponsávl pl submissão: rodrigoctno@ctbmbui.du.br

2 I Jornd Cintíic VI FIPA do CEFET Bmbuí Bmbuí/MG 2008 o conduto d dmissão, qu rspond à xcitção m unção d su gomtri. Est intrção inlunci condição d scomnto trnsint ocorrid n port d válvul, consqüntmnt, t todo o procsso d dmissão do gás d tmosr pr o intrior do conduto d dmissão. 3. ANÁLISE TERÓRICA 3.1. Torqu O torqu rprsnt cpcidd do motor d produzir trblho, trduzido plo potncil qu o ixo d mnivls possui d zr girr um mss m torno d si msmo. Ess momnto grdo plo motor n síd do ixo d mnivls é o torqu tivo dsnvolvido plo motor. O torqu é clculdo prtir do produto d orç mdid pl célul d crg do dinmômtro pl distânci do ponto d litur dst orç té o cntro do ixo d mnivls, trvés d sguint qução: W = F d [Eq. 01] W - toqu tivo dsnvolvido plo motor n síd do ixo d mnivls (J) F - orç mdid n célul d crg do dinmômtro (N) d - distânci do ponto d mdição d orç o cntro do ixo d mnivls (m) 3.2. Potênci A potênci tiv pod sr clculd trvés d mdição utilizndo um rio (dinmômtro), qu possibilit clculr o trblho rlizdo plo ixo d mnivls n síd do motor. A potênci bsorvid pl rsistênci pssiv pod sr mdid trvés d um dinmômtro tivo, imprimindo um vlocidd d rotção no ixo d mnivls com o motor sm combustão, ou pl dirnç ntr potênci indicd potênci tiv. A potênci d mior intrss prático é potênci no ixo, disponívl n síd do ixo d mnivls do motor, clculd sgundo st qução bixo: = P W ω [Eq. 02] P - potênci no ixo (W) W - torqu tivo (J) ω - vlocidd ngulr (rd/s) A vlocidd ngulr é clculd por: 2 π ω = [Eq. 03] 60 N - vlocidd d rotção do ixo d mnivls (rv/min) A qução 2 pod sr dscrit d sguint orm: 2 π P = W 60 [Eq. 04] A prormnc dos motors d ignição por cntlh é td pls condiçõs tmosérics, isto é, pl prssão brométric, tmprtur umidd. Existm tors d corrção qu, multiplicdos pl potênci torqu obtidos m condiçõs tmosérics dirnts, corrigm os vlors pr condição tmoséric pdrão. Nst trblho é dotdo o tor d convrsão sgundo norm NBR ISO 1585 (ABNT, 1996), qu s plic somnt motors com ignição por cntlh nturlmnt spirdos sobrlimntdos Prssão Mdi Etiv A prssão médi tiv é médi d prssão dntro do cilindro do motor, bsd n potênci clculd ou mdid. Então tm-s prssão médi tiv indicd prssão médi tiv no ixo, drivds d potênci indicd d potênci no ixo, rspctivmnt. A prssão médi tiv no ixo é um prâmtro importnt d mdição d prormnc do motor, porqu é obtid pl rzão do trblho por ciclo plo volum dslocdo no cilindro, ou sj, é potênci produzid plo motor m unção do su tmnho. A prssão médi tiv no ixo é dd por: 2 60 P BMEP = V BMEP - prssão médi tiv no ixo [Eq. 05] (P) 3.4. Inluênci d Gomtri do Conduto d Admissão n Eiciênci Volumétric O scomnto do r no intrior do conduto d

3 I Jornd Cintíic VI FIPA do CEFET Bmbuí Bmbuí/MG 2008 dmissão possui um nrgi cinétic ssocid à su vlocidd. Ess nrgi contid no r, s provitd no tmpo corrto d brtur chmnto ds válvuls d dmissão xustão, pod dtrminr um mior comprssão no intrior do cilindro. É crid dst orm um sobr-limntção nturl dvido à inérci do gás. A iciênci volumétric, stá dirtmnt rlciond com cpcidd qu o motor possui m dmitir mss d r tmosérico. Pod-s dizr qu é vzão mássic d r no conduto d dmissão pl tx qu o volum d r é dslocdo plo pistão: 2 m& ηv = ρ V d [Eq. 06] V d - volum dslocdo plo pistão ntr PMI PMS (m 3 ) N - vlocidd d rotção do motor (rv/s) ρ - mss spcíic do r dmitido (kg/m 3 ) m& - vzão mássic d r trvés do conduto d dmissão (kg/s) A mss spcíic do r dmitido é dtrmind trvés d qução bixo. P ρ = [Eq. 07] R T Ond P é prssão do r dmitido (kp), T é tmprtur do r dmitido (K) R é constnt do r (0,287 kj/kg.k) Por su vz, mss no intrior do conduto é clculd d cordo com su comprimnto: m = ρ A L [Eq. 08] Not-s, ntão, qu rdução do diâmtro umnt nrgi cinétic do r no intrior do cilindro. A mss d colun d r no intrior do cilindro é mior qunto mior or o su comprimnto, sndo dirtmnt proporcionl à nrgi cinétic dvido o movimnto ds prtículs d r. Qundo mss d r sco trvés do conduto d dmissão, ocorr um prd d crg dvido o trito do luido com s prds do conduto. A prd d crg pod sr clculd pl qução d Drcy-Wisbch, válid pr scomnto lminr ou pr scomnto turbulnto m dutos: h 2 L U = D 2 g [Eq. 09] h - prd d crg no conduto (m) - tor d trito (dimnsionl) L - comprimnto do conduto (m) U - Vlocidd médi (m/s) D - diâmtro do conduto (m) g - clrção d grvidd (m/s 2 ) Pr rgim lminr, isto é, númro d Rynolds (R) inrior 2000, o vlor do tor d trito ( ) é clculdo pl qução: ρ U D R = µ = 64 R µ - viscosidd dinâmic (kg/m.s) [Eq. 10] [Eq. 11] Pr rgim turbulnto, isto é, númro d Rynolds (R) suprior 4000, o vlor do tor d trito ( ) pr tubos lisos, plicávl os csos m qu R > 10 5, é ddo pl qução d Drcy- Wisbch: 1 ( R ) 0. 8 = 2 log [Eq. 12] Nos csos m qu R < 10 5, plic-s qução d Blsius:. R = [Eq. 13] 4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Todos os tsts orm rlizdos sgundo norm NBR ISO 1585 (ABNT, 1996). Pr rlizção dos tsts, o motor oi instldo no dinmômtro n msm posição n qul stá montdo no vículo, prvimnt linhdo nivldo pr qu não houvss vibrçõs nos sistm d trnsmissão vitr rros d mdição.

4 I Jornd Cintíic VI FIPA do CEFET Bmbuí Bmbuí/MG 2008 Com o objtivo d studr os itos do conduto d dmissão sobr prormnc do motor m studo, vrindo o comprimnto, orm utilizdos três tubos d mtril PVC, com comprimntos d 300, mm. Foi utilizdo um pquímtro pr mdição ds dimnsõs um srr d it pr construir os protótipos. As curvs d dsmpnho orm xcutds com o clrdor totlmnt ciondo pr possibilitr qu borbolt s ncontrss plnmnt brt durnt todo o tst, proporcionndo um vzão máxim d r nturlmnt spirdo. Todos os tsts mntivrm tmprtur do líquido d rrcimnto n síd do motor dntro d um ix d 82 C ± 2 C, umidd rltiv ntr 48 % 52 %, tmprtur do ólo com vlor suprior 100 C, prssão brométric m torno d 910 mbr, tmprtur do r d dmissão 20 C ±2 C prssão d combustívl m 3,50± 0,02 br. Pr dtrminr potênci ns condiçõs tmosérics d rrênci, potênci obsrvd (lid) oi multiplicd por um tor d corrção α (ABNT NBR ISO 1585), qu prmncu m torno d 1,12 nsts xprimntos. POTÊNCIA CORRIGIDA ABNT (kw) Figur 2 Comprtivo d Potênci vrindo o comprimnto do conduto d dmissão Vriic-s n Figur 3 qu o conduto d dmissão d mior comprimnto proporcion mior torqu m vlocidds d rotção mis bixs. Pod-s tribuir st rsultdo à mlhor iciênci volumétric do conduto d mior comprimnto nst rgião d uncionmnto do motor. Isto dmonstr qu, m bixs vlocidds d rotção do motor, qunto mior or o conduto, mior srá o ito inrcil d mss d r D = 53 mm VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DO MOTOR (rv/min) Conduto d Admissão Figur 1 - Conduto d dmissão d r do motor TORQUE CORRIGIDO ABNT (Nm) D = 53 mm 5. RESULTADOS Foi obsrvdo qu prtir d vlocidd d rotção do motor d 4500 rv/min o conduto d dmissão com o comprimnto d 300 mm prsntou vlors supriors d potênci, o d comprimnto d 600 mm vlors intrmdiários d comprimnto d 900 mm grou vlors inriors (Figur 2). Ess ito pod sr xplicdo dvido à prd d crg provnint do trito do luido com s prds do conduto sr mior qunto mior or o comprimnto do conduto, como é conhcido d undmntos d Mcânic dos Fluídos. 70 VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DO MOTOR (rv/min) Figur 3 Comprtivo d torqu vrindo o comprimnto do conduto d dmissão Ess msmo ito pod sr visto no comprtivo d PME (Figur 4). A tndênci obsrvd pr vlocidds d rotção mis lvds é justiicd pl mior prd d crg qundo utilizdo um mior comprimnto do conduto d dmissão suplntndo os itos inrciis.

5 11.0 I Jornd Cintíic VI FIPA do CEFET Bmbuí Bmbuí/MG 2008 PME (br) Figur 4 Comprtivo d PME vrindo o comprimnto do conduto d dmissão 6. CONCLUSÃO Atrvés dos rsultdos xprimntis obtidos, pod-s prcbr qu o comprimnto do conduto d dmissão inlunciou signiictivmnt o dsmpnho do motor. Pr os comprimntos dos condutos psquisdos, consttou-s qu o conduto d mior comprimnto dsnvolvu um mlhor torqu mlhor PME m bixs vlocidds d rotção do motor. Por outro ldo, o conduto d mnor comprimnto rsultou m mlhor torqu potênci m lts vlocidds d rotção do motor. Esss rsultdos xplicm tndênci tul d divrss montdors d dotr coltors d gomtri vriávl qu prmitm vrição do comprimnto dos dutos d dmissão conorm rotção do motor. Ess rcurso prmit um rndimnto volumétrico idl m tods s ixs d utilizção. REFERÊNCIAS L = 53 mm VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DO MOTOR (rv/min) ABNT, Vículos Rodoviários Código d Ensio d Motors Potênci Líquid Etiv, ABNT, Norm NBR ISO 1585, Associção Brsilir d Norms Técnics, ABNT, Motors d Combustão Intrn Rottivos Dsmpnho - Prt 1: Condiçõs Pdrão d Rrênci Dclrçõs d Potênci Consumos d Combustívl Ólo Lubriicnt, Norm NBR ISO 3046/1, Associção Brsilir d Norms Técnics, BENAJES, J., REYES, E., GALINDO, J. PEIDRO, J., Prdsign Modl or Intk Mniolds in Intrnl Combustion Engins, Engin Modling, SAE Ppr , Socity o Automotiv Enginrs, Inc., U.S.A., GANESAN, V., Intrnl Combustion Engins, McGrw-Hill Publishing Compny Limitd, U.S.A., GIACOSA, T. D., Motori Endotrmici, 2 d., Ulrico Holpi Editor S.p.A., Mião, Itáli, HANRIOT, S. M., Vll, R. M., Mdiros, M. A. J., Estudo Exprimntl dos Fnômnos Pulsnts m um Coltor d Aspirção d Tubo Rto d um Motor d Combustão Intrn Altrntivo, Anis do IV Congrsso Ibromricno d Ingniri Mcânic, Sntigo do Chil, HANRIOT, S. M., Estudo dos Fnômnos Pulsnts do Escomnto d r nos Condutos d Admissão m Motors d Combustão Intrn, Ts d Doutordo, Dprtmnto d Engnhri Mcânic, UFMG, Blo Horizont, MG, Brsil, HEISLER, H., Advncd Engin Tchnology, Hoddr Hdlin Group, U.S.A., HEYWOOD, J.B., Intrnl Combustion Engin Fundmntls, McGrw-Hill Book Compny, U.S.A., SODRÉ, J. R., PEREIRA, L. V. M. STREVA, E. R., Gsolin-Ethnol Blnd Aging Ects on Engin Prormnc nd Exhust Emissions, SAE Ppr , Fuls nd Lubricnts, Socity o Automotiv Enginrs, Inc., U.S.A., SODRÉ, J. R. SOARES S. M. C., 2002, Ects o Atmosphric Tmprtur Prssur on th Prormnc o Vhicl, Journl o Automobil Enginring, V. 216, n. D6, Pág , London, UK., TAYLOR, C. F., 1971, Anális dos Motors d Combustão Intrn, São Pulo, Editor Edgrd Bluchr Ltd., WHITE, F.M., Mcânic dos Fluidos, McGrw- Hill Book Compny, U.S.A., WINTERBONE, D. E., PEARSON, R. J., Thory o Engin Mniolds Dsign Wv Action Mthods or IC Engins, SAE, U.S.A., 2000.