Relatório PRP-38. Simulação Ciclo Otto

Transcrição

1 Relatório PRP-38 Simulação Ciclo Otto Alunos: João Gabriel Henriques Leite Yukari Watanabe Guerreiro Martins Professora: Cristiane Aparecida Martins São José dos Campos/SP Agosto/2016

2 Sumário 1 Introdução 3 2 Avanço na ignição 4 3 Avanço na descarga 5 4 Avanço na admissão 6 5 Atraso na descarga 7 6 Atraso na admissão 9 2

3 1 Introdução O princípio de funcionamento do ciclo Otto é baseado na expansão e compressão de fluidos gasosos. Esse motor pode funcionar em um ciclo de quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão. A abertura da válvula de admissão ocorre na etapa de admissão, enquanto que a abertura da válvula de escape ocorre na exaustão. Para esse relatório faremos simulações do funcionamento do motor ciclo Otto quatro tempos variando alguns parâmetros como avanço e atraso na abertura e fechamento da válvula de admissão, avanço e atraso na abertura e fechamento da válvula de exaustão e, por último, avanço na ignição da vela. Além disso, analisaremos comparativamente o comportamento e a tendência do trabalho realizado pelo motor a partir do gráfico Pressão Volume, mantendo todos os parâmetros como o combustível, a abertura da válvula borboleta etc, constantes, com exceção daquele que será analisado. Dessa maneira, baseando-se em um motor configurado próximo ao real em condição de aceleração máxima, foram escolhidos para as simulações aqui contidas os parâmetros que se encontram na tabela 1. Tabela 1: Tabela de parâmetros Combustível Mistura Taxa Abertura da válvula borboleta Gás Natural Veicular 17:1 9:1 100% Figura 1: Gráfico da simulação de funcionamento do motor sem alterações. Para efeitos de comparação, apresenta-se na figura 1 o gráfico P V em condições de controle, 3

4 isto é, sem a realização de qualquer modificação. Ressalta-se ainda que, no gráfico de cada modificação sob análise, encontra-se também o gráfico das condições de controle, representada sempre pela linha de maior transparência. Explicitase essa observação na figura 2. Figura 2: Legenda das curvas nos gráficos das seções a seguir. 2 Avanço na ignição O avanço na ignição ocorre um pouco antes do pistão atingir o PMS, ainda na etapa de compressão. Esse avanço tem o objetivo de compensar o tempo que a chama da mistura ar/combustível leva para ocupar todo o espaço da câmara de combustão, de modo que quando o pistão atingir o PMS ele já sofra a força provocada pela combustão. (a) Avanço de 12 graus (b) Avanço de 24 graus Figura 3: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na ignição. 4

5 (c) Avanço de 36 graus (d) Avanço de 46 graus Figura 3: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na ignição. (cont.) Pode-se depreender dos gráficos apresentados que, até certo patamar (aproximadamente 24 graus), o avanço representa um ganho de trabalho em relação às condições de controle. Porém, a partir de 36 graus, tem-se quedas de pressão, possivelmente relacionadas ao término da combustão antes que seja atingido o PMS, recaindo na condição de realização de trabalho contra o desejado. 3 Avanço na descarga (a) Avanço de 10 graus (b) Avanço de 20 graus Figura 4: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na descarga. 5

6 Esse avanço acontece quando há a abertura da válvula de descarga antes do pistão atingir o PMI. Este avanço visa justamente acelerar a saída desses gases para que se evite o superaquecimento do pistão e do cilindro após a etapa de expansão. (c) Avanço de 30 graus (d) Avanço de 46 graus Figura 4: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na descarga.(cont.) Portanto, não observam-se grandes alterações nas curvas de pressão volume, estando estas praticamente sobrepostas às curvas de controle. 4 Avanço na admissão (a) Avanço de 6 graus (b) Avanço de 12 graus Figura 5: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na admissão. 6

7 Essa antecipação ocorre quando a válvula está completamente aberta antes do pistão atingir o PMS e começar a descer para o PMI. Esse avanço permite a entrada de um volume maior da mistura ar/combustível dentro do cilindro. (c) Avanço de 24 graus (d) Avanço de 36 graus Figura 5: Gráficos Pressão x Volume: variações de avanço na admissão. (cont.) Como pode se observar nas figuras, avançando de até 24º a admissão, ocorrerá aumento no trabalho fornecido pelo motor, daí em diante esse trabalho começa a reduzir. Isso porque, depois de um certo ponto o combustível colocado precocemente pela válvula irá ser jogado fora, uma vez que a válvula de exaustão ainda não se fechou, resultando em um fornecimento menor de trabalho. 5 Atraso na descarga Ocorre atraso no fechamento da válvula de descarga quando, após o pistão ter atingido o PMS, a válvula é mantida aberta por uma amplitude maior de ângulos. Esse atraso auxilia na completa expulsão dos gases queimados. 7

8 (a) 12g (b) 24g Figura 6: Gráficos Pressão x Volume: variações de atraso na descarga. Como, em geral, a exaustão de gases não é tão problemática, não observa-se nos gráficos grandes variações na geração de trabalho em relação às condições de controle. (c) 36g (d) 46g Figura 6: Gráficos Pressão x Volume: variações de atraso na descarga. (cont.) 8

9 6 Atraso na admissão Nesse caso ocorre um retardo no fechamento da válvula de admissão após o pistão atingir o PMI. Isso permite que continue entrando a mistura ar/combustível mesmo após o pistão ter atingido o PMI. (a) Atraso de 6 graus (b) Atraso de 12g Figura 7: Gráficos Pressão x Volume: variações de atraso na admissão. Atrasando-se a abertura da válvula de admissão até 36º, observa-se um aumento no trabalho fornecido com relação àquele fornecido sem atraso algum. Isso possivelmente ocorre pois a etapa de expansão é diminuída, uma vez que a diferença dos volumes de compressão e exaustão diminui, prejudicando o seu desempenho. (c) Atraso de 24g (d) Atraso de 36g 9

10 (e) Atraso de 48g (f) Atraso de 60g Figura 7: Gráficos Pressão x Volume: variações de atraso na admissão.(cont.) 10