ESTUDO NUMÉRICO DA IMPORTÂNCIA DAS TUBULAÇÕES DE ADMISSÃO E ESCAPE DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Juliana Aparecida Botelho Dutra 1 Elianfrancis Silveira de Souza 2 Leonardo da Silva Ignácio 3 Tiago Alceu C. Resende 4
PALAVRAS-CHAVE: duto de admissão; duto de escape; eficiência volumétrica; Lotus Engine Simulation; otimização. 1. INTRODUÇÃO O Brasil estabeleceu a Política Nacional sobre a Mudança do Clima (PNMC), por meio da Lei no 12.187/2009, que determina a adoção de ações para reduzir a 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). 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 capacidade de sucção (GIACOSA, 2000). 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). 274 A proposta deste trabalho é de dimensionar as tubulações de admissão e de escape do motor Honda 250cc utilizando a ferramenta de otimização paramétrica do software Lotus Engine Simulation (LES), visando a melhorar a eficiência volumétrica e, posteriormente, comparar os valores da eficiência obtida com o mesmo motor, mas sem as tubulações. Desta forma, foi possível constatar a importância das tubulações na eficiência do motor. A importância de alguns parâmetros, como o torque, potência, consumo e emissões de poluentes estão conectadas diretamente à eficiência volumétrica, que é a capacidade de enchimento do cilindro com o ar atmosférico, que, por sua vez, pode variar conforme alterada a geometria das tubulações de admissão e escape do motor (BRUNETTI, 2012).
Quanto maior for a quantidade de ar atmosférico entrando pela admissão, maior será a eficiência volumétrica e 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). As tubulações devem ter menor atrito possível e, ao mesmo tempo, satisfazer as características próprias de cada motor, principalmente dos efeitos pulsantes nas tubulações (HANRIOT, 2001). 2. METODOLOGIA O motor simulado pertence a uma motocicleta Honda XL 250. Contudo, antes de edificar o motor no LES, foi necessário abrir o mesmo para extrair algumas medidas, como diâmetro do pistão, diâmetro interno do cilindro, curso do pistão, comprimento da biela e máximo levantamento das válvulas. Outras informações foram encontradas no manual do motor, como os ângulos de abertura e fechamento das válvulas e a taxa de compressão. 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. 3. DISCUSSÃO E RESULTADOS 275 A simulação paramétrica, executada pelo LES, é feita através de várias simulações variando a geometria das tubulações e gerando vários gráficos, conforme a Figura 1, na qual podem ser vistos alguns resultados. Nestas ilustrações, mostra-se a eficiência volumétrica no eixo da ordenada e a rotação do motor no eixo da abscissa. Cada linha representa uma simulação para uma determinada geometria da tubulação. Foram realizadas quarenta e cinco simulações para cada tubulação; entretanto, apenas cinco são representadas em cada gráfico. A linha vermelha representa o melhor resultado para uma máxima eficiência volumétrica que, neste caso, foram de 350 mm para o comprimento e 40 mm para o diâmetro para a tubulação de admissão (representada pelo gráfico da esquerda) e 500 mm para
o comprimento e 30 mm para o diâmetro referente à tubulação de escape, também mostrado pela linha vermelha do gráfico da direita. Figura 1. Resultados das simulações paramétricas com a variação do comprimento e diâmetro da tubulação de escape (direita) e de admissão (esquerda) - Lotus Engine Simulation (2016) A Figura 2 evidencia a importância das tubulações ao comparar a eficiência do motor com os dutos (linhas contínuas) e sem os dutos (linhas tracejadas). Observa-se que ocorreu uma melhora do desempenho do motor testado, pois a potência máxima, no ponto (2), linha preta, despontou de 14 Kw (19,03 cv) e foi para 18 Kw (24,47 cv) a 6.744 rpm. Houve melhora significativa devido, principalmente, à redução da rotação de máxima potência, obtendo-se, assim, uma melhora de 28,57%. Ao mesmo tempo, o torque máximo no ponto (1), linha azul, aumentou de 21 Nm (2,14kgfm) a 5.308 rpm para 26 Nm (2,65 kgfm) à mesma rotação, resultando em uma melhora de 23,8%. Contudo, praticamente todo o regime de potência e torque ficaram acima dos valores em comparação da simulação do motor sem as tubulações de admissão e de escape, salvo o intervalo de 1.205 rpm a 3.256 rpm, quando o torque foi menor. 276 Com relação ao consumo específico, linha vermelha, apenas não ocorreu melhora no intervalo de 4.077 rpm a 6.949 rpm. Entretanto, neste trecho, houve um aumento significativo do torque e da potência, logo, menor é a necessidade do condutor solicitar o acelerador, resultando em menor carga exigida pelo motor neste ponto.
Quanto à eficiência volumétrica, gráfico da direita, também incidiu um ganho em seu valor em quase todo o regime de rotações do motor com a inclusão das tubulações. Apenas no intervalo de 1.205 rpm a 3.256 rpm é que não ocorreu melhora. Fica evidente, ao comparar os gráficos da Figura 2 que, quanto maior a eficiência volumétrica, melhor é a eficiência do motor, pois em rotações com grande capacidade de aspiração do ar atmosférico, maior é a potência e o torque. Figura 2. Comparação do desempenho do motor simulado, com linhas tracejadas sem o uso de tubulações de admissão e de escape e linhas contínuas com as tubulações - Lotus Engine Simulation (2016) 4. CONCLUSÃO Inserindo os dutos de admissão e escape, pode-se observar uma real diferença no comportamento do motor em comparação com a simulação sem o uso dos dutos. Portanto, também é possível evidenciar a importância de nunca alterar a geometria das tubulações do projeto original. 277 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRASIL, Ministério da Ciência e Tecnologia. Primeiro inventário brasileiro de emissões antrópicas de gases de efeito estufa. Brasília, DF, 2012.
BRUNETTI. Motores de combustão interna, volume 1 e 2. São Paulo: Editora Blucher, 2012. Copyright Lotus Engineering, Getting started using Lotus Engine Simulation, tutorial, 2001. FERGUSON, C. R. Internal combustion engines: Applied Thermo Sciences. New York: J. Wiley & Sons, 1986. GIACOSA, D. Motori endotermici. 15ª ed., revisão por Attilio Garro. Milano: Biblioteca Tecnica Hoepli, 2000. HANRIOT, S. M. Estudos dos fenômenos pulsantes do escoamento de ar nos condutores de admissão em motores de combustão interna. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerias, 2001. (Tese de doutorado). NOTAS 1 Técnico Mecânico, aluno, Departamento de Computação e Mecânica, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. julianadutra2728@gmail.com 2 Técnico Mecânico, aluno, Departamento de Computação e Mecânica, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. elian.94@hotmail.com 3 Técnico Mecânico, aluno, Departamento de Computação e Mecânica, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. leonardoinacio14@live.com 4 Engenheiro Mecânico, Graduado, Professor do Departamento de Computação e Mecânica, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. tiagoalceuc@yahoo.com.br 278