ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR... 323 ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA SOB DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS Marcelo Moura José Antônio da Silva Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos (DCTEF), Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ), Praça Frei Orlando, 17, CEP 3637-352, São João Del Rei, MG, Brasil, e-mail: marcelo.ufsj@gmail.com; jant@ufsj.edu.br Felipe Soto Pau Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia (CIMATEC), Av. Orlando Gomes, 1845, Piatã, CEP 4165-1, Salvador, Bahia, Brasil, e-mail: felipesp@cimatec.fieb.org.br Antônio Moreira dos Santos Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 4, CEP 13566-59, São Carlos, SP, Brasil, e-mail: asantos@sc.usp.br Resumo Apresenta-se um estudo do comportamento do sinal de pressão dentro da câmara de combustão de um motor de ignição por centelha, através da utilização de uma técnica de representação de um ciclo médio obtido, a partir de uma amostragem de vários ciclos. Comparam-se os resultados com dois modos de obtenção dessa média: a média aritmética simples e a média com descarte dos ciclos ruins. Os resultados mostram como a adoção desse ciclo médio pode influenciar a análise de curvas de desempenho do motor, como comportamento da pressão versus rotação e carga, utilizando três tipos distintos de configurações do comando de abertura das válvulas. Palavras-chave: motor de ignição por centelha, sinal de pressão, ciclo médio. Introdução A observação do comportamento da pressão no interior do cilindro em relação ao tempo, em motores de ignição por centelha, mostra substancial variação de ciclo a ciclo. Essas variações podem ser relatadas unicamente pelo processo de combustão e o seu desenvolvimento. Em adição a esse efeito, em cada cilindro podem ocorrer diferenças significativas no processo de combustão e, portanto, no desenvolvimento da pressão nos cilindros de um motor multicilíndrico. Os causadores desse comportamento podem ser: relação ar/combustível em cada cilindro e variação da interação entre a mistura fresca e os gases residuais do ciclo anterior. As variações do processo de combustão de cilindro a cilindro e de ciclo para ciclo são importantes por duas razões. Primeiro, o tempo de ignição ótimo deve ser escolhido para um ciclo médio que minimize perdas de potência e atinja um resultado eficiente. Segundo, pelo grau de variação dos ciclos que limitam a operação do motor. Um ciclo de queima rápida com um tempo de ignição adiantado favorece a detonação. Assim, um ciclo de queima rápido determina o grau de octanagem do combustível e os limites de razão de compressão para o motor. Por outro lado, ciclos de queimas lentas com um tempo de ignição atrasado favorecem a combustão incompleta. Assim, em termos práticos, os ciclos selecionados se apóiam no limite operacional eficiente do motor. Conhecidos esses aspectos, este trabalho usa uma técnica para representar um ciclo médio a partir de uma amostragem de vários ciclos, mostrando a repercussão no funcionamento do motor com relação às curvas características em diferentes condições operacionais. Revisão da Literatura Vários trabalhos acadêmicos utilizam o sinal de pressão, vindo do interior da câmara de combustão de um motor, medido através de um indicador piezelétrico.
324 MOURA ET AL. Esse sinal, composto de n ciclos completos, mostra o comportamento da pressão durante cada ciclo, como mostrado na Figura 1. 8 6 Ciclos da tabela inicial Silva (4) representou todos esses ciclos através de uma média aritmética das pressões dos n ciclos, obtendo, assim, uma representação da variação média da pressão em função do ângulo de manivela (Figura 3). 6 5 Média das pressões com todos os pontos 4 4 3 5. 1. 15. Número de pontos amostrados Figura 1 Sinal de pressão a 3 rpm, comando 26718 com 7% de abertura de borboleta, 22 ciclos amostrados. Observando-se esse sinal percebe-se uma variação substancial da pressão acontecendo ciclo a ciclo. De acordo com Heywood (1988), essas variações a cada ciclo no processo de combustão são causadas, entre outros fatores, pela variação na quantidade de combustível e ar introduzidos no cilindro e pela quantidade de gás residual que permanecerá na câmara após o processo de exaustão. Lukanin (1988) ainda mostra a variação causada pelo fenômeno da detonação (Figura 2), estudado por Sanches (2). Esse fenômeno consiste na autoignição da mistura não queimada, isto é, antes da passagem na frente da chama, ocasionando liberação extremamente rápida de grande parte da energia química contida na mistura, causando pressões locais muito altas e a propagação de ondas de pressão de grande amplitude através da câmara de combustão. 5 4 3 1 3 Ciclos da tabela inicial 34 36 38 Número de pontos amostrados Figura 2 Ciclo com detonação. 4 1 18 36 54 7 Figura 3 Média aritmética feita com o sinal de pressão a 3 rpm, comando 26718 com 7% de abertura de borboleta. Com a média sendo feita dessa forma, porém, inevitavelmente serão levados em conta ciclos que diferem significativamente dos demais em razão dos fatores vistos anteriormente. Assim, fez-se necessário desenvolver uma ferramenta computacional que, de posse do sinal de pressão, eliminasse os ciclos que estivessem em desacordo com os demais e criasse uma média somente com os ciclos que se encontram dentro da normalidade, obtendo-se, assim, melhor representação da distribuição de pressões atuante no cilindro. Isso também nos possibilita analisar a influência de certas variáveis, como rotação do motor, tipo de comando de válvula e abertura de borboleta, na variação da pressão no interior do cilindro. As instabilidades no processo de combustão são identificadas como um problema fundamental em motores de combustão interna. Litak et. al (6) afirmam que as mesmas podem acarretar um torque médio efetivo cerca de % menor se compararmos ao gerado em uma combustão estável. O reconhecimento e a eliminação dos fatores que causam essas instabilidades têm sido os principais objetivos de pesquisadores no último século. Os grandes esforços nessa área esclareceram vários aspectos referentes às instabilidades no processo de combustão, mas os problemas não foram solucionados por completo. Winsor & Patterson (1973) exploraram os efeitos da turbulência da mistura no processo de combustão. Litak et. al (6) mostraram que a variação do ângulo de disparo da centelha produz diferentes níveis de flutuação de pressão máxima e ângulo de manivela onde ocorre a pressão máxima.
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR... 325 Trabalhos recentes usaram modelos dinâmicos não lineares do processo de combustão, como Kantor (1984), que através de um desses modelos analisou as oscilações das variáveis do processo de combustão ciclo a ciclo, incluindo a temperatura. Metodologia O motor utilizado nos experimentos ao quais os dados de pressão se referem foi o GM2-522, álcool 4 cilindros, 2 litros. É o mesmo motor utilizado na tese de Silva (4) e na dissertação de Sanches (2) (Figura 4). O cabeçote do motor foi perfurado para possibilitar a medida de pressão no interior da câmara de combustão. A pressão foi tomada no primeiro cilindro, para facilitar a instalação do sensor, no local mostrado por um círculo na Figura 5. O sensor de pressão utilizado foi um piezelétrico modelo 8 QP 5ca da marca AVL, assim como o sensor do ponto morto superior (PMS). A bancada de testes juntamente com os instrumentos utilizados podem ser observados na Figura 6. Os dados obtidos pelos sensores foram capturados por uma placa de aquisição e gravados no computador no formato de texto (ASCII) para análise posterior. Neste trabalho foram utilizados dados do motor funcionando em 1, 15,, 25, 3, 35 e 4 rpm, cada uma com abertura de borboleta de 3%, 5%, 7% e 1%, além de três tipos de comandos de válvulas diferentes: original, 26718 e 28519. Figura 4 Bancada utilizada no experimento. Figura 5 Localização do sensor de pressão.
326 MOURA ET AL. Controle de temperatura Trocador de calor água-água Trocador de calor ar-água Medida de pressão e tempertura Dinamômetro Resfriador Medida de consumo de ar Sensor de torque e rotação Medida de consumo de combustível Compressor Computador com placa Turbina Sensor de pressão Amplificador de sinal Sensor de temperatura Terminal de compensação Figura 6 Representação da bancada de testes do motor juntamente com os instrumentos utilizados. Para a análise, foi desenvolvido um algoritmo em ambiente MATLAB, com o nome de projeto_pressao.m, que lê um dos arquivos de texto obtidos anteriormente (escolhido pelo usuário) e gera um gráfico com duas curvas: uma em azul, representando a média aritmética das pressões de todos os ciclos do motor (), e a outra em vermelho, representando uma média das pressões feita apenas com os ciclos que se encontram dentro da normalidade (). O algoritmo gera essa segunda curva excluindo ciclos com pressões variando mais de % em relação a um ciclo médio determinado visualmente pelo usuário para a comparação. Um exemplo de gráfico gerado pelo algoritmo pode ser visto na Figura 7, em que foram utilizados os dados do motor descrito anteriormente funcionando a 15 rpm, comando 26718 e abertura de borboleta 1%. 35 3 25 15 1 5 Gráficos de média de pressões 9 18 27 36 45 54 63 7 Figura 7 Comparação das curvas das médias de pressão. Análise dos Resultados Influência do comando no desvio entre as médias Analisando o comportamento das médias de pressões para cada comando percebe-se um aumento do índice do desvio entre a média aritmética com descarte e a média com todos os pontos à medida que a rotação aumenta. A Figura 8 mostra esses índices para o comando 26718 com abertura de 5%, do valor mínimo, 1,8%, com 15 rpm ao máximo, 1,8%, para 35 rpm. Esse comportamento pode ser explicado pelo fato de que em rotações elevadas os níveis de pressão são maiores e um mau funcionamento do motor causa o aparecimento de ciclos anormais que têm valores bem menores de pressão, e esses, quando computados na média aritmética com todos os pontos (), provocam diminuição do valor da mesma, tornando-a, portanto, menor em relação à média aritmética com descarte (). Todos os comandos também apresentaram elevações do desvio entre as médias quando se aumentou a rotação, porém, notamos melhor desempenho do comando 28519 em rotações maiores se comparado ao 26718 e ao original, como pode ser visto através dos dados coletados a 3 rpm apresentados na Figura 9. Esse menor desvio entre as médias para o comando 28519 ocorre pelo fato de esse comando fazer com que a válvula de admissão fique aberta por um tempo maior, possibilitando melhor abastecimento do cilindro e, consequentemente, maior estabilidade de funcionamento do motor, que pode ser claramente percebida ao compararmos o número de ciclos anormais excluídos na formação da média com descarte para cada tipo de comando: enquanto o 26718 e o original apresentaram 15 e 14 ciclos anormais,
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR... 327 respectivamente, o comando 28519 apresentou apenas seis nessas condições. Durante a aquisição dos dados, para rotações acima de 35 rpm o motor apresentou-se bastante instável quando equipado com o comando 26718, exaltando o mau desempenho do mesmo para altas rotações se comparado com os outros estudados. Influência da abertura de borboleta no desvio entre as médias Para verificar o efeito da abertura de borboleta nas curvas de pressão para cada tipo de comando de válvula, fixou-se uma rotação de 15 rpm. Excetuando-se o comando original que a 5% de abertura de borboleta apresentou grande instabilidade, observamos, pela Tabela 1, que, para os comandos estudados, à medida que se aumenta a abertura de borboleta, ocorre maior desvio entre a média com todos os pontos e com o descarte. Esse comportamento poderia ser explicado pelo fato de que, ao se aumentar a abertura de borboleta, eleva-se a vazão de ar e combustível para o interior do cilindro, acarretando maior turbulência no interior do mesmo e, consequentemente, aumentando a probabilidade de ocorrer combustão não uniforme. 4 3 1 15 rpm variação: 1,8% 5 4 3 1 rpm variação: 1,75% 9 18 27 36 45 54 63 7 9 18 27 36 45 54 63 7 8 7 6 5 4 3 1 25 rpm variação: 2,79% 5 4 3 1 3 rpm variação: 6,72% 9 18 27 36 45 54 63 7 9 18 27 36 45 54 63 7 5 4 35 rpm variação: 1,8% 3 1 1 9 18 27 36 45 54 63 7 Figura 8 Variação entre as curvas médias de pressão para o comando 26718 em várias rotações.
328 MOURA ET AL. 5 4 (a) 3 1 9 18 27 36 45 54 63 7 6 5 (b) 4 3 1 9 18 27 36 45 54 63 7 35 3 (c) 25 15 1 5 9 18 27 36 45 54 63 7 Figura 9 Comparação entre as médias de pressão para cada tipo de comando a 3 rpm. (a) Comando 26718: desvio de 6,72%, 15 ciclos excluídos. (b) Comando original: desvio de 4,13%, 14 ciclos excluídos. (c) Comando 28519: desvio de,29%, 6 ciclos excluídos. Tabela 1 Influência da abertura de borboleta no sinal de pressão a 15 rpm. Tipos de comando de válvula 26718 Original 28519 Abertura de borboleta Desvio entre as médias N o de ciclos anormais excluídos 3%,53% 4 5% 1,8% 5 7% 1,59% 6 1% 3,24% 6 3%,37% 4 5% 6,25% 1 7%,59% 6 1%,61% 6 3%,68% 4 5%,88% 5 7%,93% 5 1% 1,6% 6
ESTUDO DAS OSCILAÇÕES DA PRESSÃO NO INTERIOR DO CILINDRO EM UM MOTOR... 329 Conclusões Fazendo uma análise dos gráficos gerados pelo algoritmo, percebeu-se que um aumento da rotação causa aumento do índice de desvio entre as médias e que, quando equipado com o comando 28519, o motor apresentou menor quantidade de ciclos anormais para altas rotações e, assim, obteve índices de desvio bem menores que os outros comandos avaliados. Com relação à abertura de borboleta, constatamos a elevação do desvio entre as médias ao aumentarmos a quantidade de carga para qualquer que seja a rotação. Feito esses estudos, conclui-se que a quantificação da influência dessas variáveis durante o funcionamento do motor permite-nos conseguir uma configuração mais adequada do mesmo para cada tipo de aplicação, resultando, assim, em melhor desempenho. Referências Bibliográficas BLAZEK, J. The combustion process analysis by means of in-cylinder pressure measurement. 4. Disponível em: <http://bozek.cvut.cz>. Acesso em: 3 maio 7. HEYWOOD, J. B. Internal combustion engines fundamentals. McGraw-Hill, 1988. KAMINSKI, T.; WENDEKER, M.; URBANOWICZ, K.; LITAK, G. Combustion process in a spark ignition engine: dynamics and noise level estimation. Chaos, v. 14, p. 461-666, 4. KANTOR, J. C. A dynamical instability of spark ignited engines. Science, p. 224, 1984. LITAK, G.; KAMINSKI, T.; CZARNIGOWSKI, J.; SEN, A. K.; WENDEKER, M. Combustion process in a spark ignition engine: analysis of cyclic maximum pressure and peak pressure angle. 6. Disponível em: http://adsabs. harvard.edu>. Acesso em: 14 jun. 7. LUKANIN, V. N. Motores de combustión interna. Moscou: Ed. Mir, 1988. PENIDO FILHO, P. Os motores a combustão interna. Editora Lemi AS, 1983. SANCHES, A. G. Identificação e qualificação do fenômeno de detonação em motores de combustão interna utilizando análise espectral. 2. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos. SILVA, J. A. Estudos dos processos de admissão e exaustão utilizando ensaio experimental e simulação de um motor de combustão interna a etanol aspirado e turbo alimentado. 4. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos. SOTO PAU, F. Análise experimental dos fenômenos da combustão e da emissão de gases em motores de combustão interna utilizando misturas de etanol e gasolina como combustível. 3. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos. TAYLOR, C. F. Análise dos motores de combustão interna. São Paulo: EDUSP, 1976. WINSOR, R. E.; PATTERSON, D. J. Mixture turbulence: a key to cyclic combustion variation. SAE PAPER, N. 7386. 1973.