( PDF ) Estudo experimental da influência de um ressonador de volume variável na massa de ar admitida por um motor de combustão interna

Download PDF

ads:

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Tese de doutorado

Área de Concentração: Calor e Fluidos

Estudo Experimental da Influência de um Ressonador de Volume

Variável na Massa de Ar Admitida por um

Motor de Combustão Interna

Leonardo Vinícius Mendes Pereira

Orientador: Prof. Dr. Ramón Molina Valle

Co-Orientador: Prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot

Belo Horizonte

Dezembro de 2008

ads:

Livros Grátis

http://www.livrosgratis.com.br

Milhares de livros grátis para download.

Estudo Experimental da Influência de um Ressonador de

Volume Variável na Massa de Ar Admitida por um

Motor de Combustão Interna

Tese apresentada ao programa de Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas

Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de

Doutor em Engenharia Mecânica.

Área de concentração: Calor e Fluidos

Orientador: Prof. Dr. Ramón Molina Valle

Universidade Federal de Minas Gerais

Co-Orientador: Prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot

Instituto Politécnico da PUC Minas

Belo Horizonte

Dezembro de 2008

ads:

Resumo

A dinâmica nos condutos de admissão em motores de combustão interna envolve

grandezas tais como o comprimento, diâmetro, a rotação do eixo comando de válvulas e

demais geometrias e acessórios existentes. Os movimentos alternativos das válvulas de

admissão e do pistão produzem fenômenos de geração de ondas de pressão que se

propagam pelo conduto. Tais ondas, se oportunamente aproveitadas, podem aumentar a

quantidade de massa de ar admitida. No presente trabalho é desenvolvido o projeto e o

controle eletrônico de um ressonador de volume variável, visando o aumento de massa de

ar admitida no motor. Também é apresentada uma metodologia completa para

aproveitamento dos efeitos pulsantes que se propagam pelo conduto de admissão. Um

estudo experimental dos volumes requeridos e do melhor posicionamento do ressonador no

conduto de admissão foi realizado em banco de fluxo, objetivando analisar sua influência

na quantidade de massa de ar admitida pelo cilindro. Após a implementação do controle

eletrônico foram realizados testes dinâmicos no banco de fluxo para avaliar a resposta do

ressonador eletrônico para os volumes requeridos. Foi avaliado o desempenho do

ressonador em dinamômetro de bancada e obtida as curvas características do motor com o

ressonador instalado antes e depois da borboleta de controle de carga de um motor de

produção seriada. Os resultados mostram o melhor posicionamento e a viabilidade da

utilização de um ressonador eletrônico que permita, para cada rotação e carga do motor,

ajustar a sintonia com as ondas de pressão no sistema de admissão, de forma a obter

ganhos de desempenho para todos os regimes de rotação do motor em plena carga.

PALAVRAS CHAVES: motor de combustão interna, conduto de admissão, ressonador de

Helmholtz.

Abstract

The dynamic of intake manifold admission on internal combustion engines involves

parameters such as length, diameter, camshaft rotation and other geometries and

accessories. The alternative movements of the admission valves and piston produce the

phenomena of generation of pressure waves that spread through the conduit. Such waves,

if well used, can increase the air mass quantity admitted. In the present work it is

developed the project and the electronic control of a resonator of variable volume, with the

main goal to increase the volume of air admitted by the engine. It is also presented a

complete methodology to use the pulsing effects spreading through the admission conduct.

An experimental analysis of the requested valves and resonator position in the intake

conduits was evaluated in flow bench, aiming its influence in the amount of mass air

admitted by the cylinder. After implementation of the electronic control dynamics tests

were performed in flow bench, to evaluate the performance of electronic resonator to the

required volume. The resonator’s performance has been evaluated on a bench

dynamometer. The characteristics curves were obtained from the engine with the resonator

installed before and after the throttle. The results show the best position and feasibility of

using an electronic resonator enabling, for each engine rotation and load, adjust the

pressure waves on intake manifold, therefore improving the engine performance for all

engine rotations at full load condition.

KEY WORDS: internal combustion engine, intake manifolds, Helmholtz resonator.

Este trabalho é dedicado a meus pais,

Vandeyr e Dayse, a minha avó (Líbia), em

especial a minha namorada, Jussara, a todos

os meus familiares e a Deus. Sem a

compreensão e o apoio de todos não seria

possível a sua realização.

vii

Agradecimentos

Muitos foram os que contribuíram para que este trabalho chegasse ao seu final, assinalando

meu reconhecimento especial:

ao orientador prof. Dr. Ramón Molina Valle;

ao co-orientador prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot;

aos amigos da Fiat Automóveis e da FPT Powertrain Technologies;

ao Eng. Leonardo da Mata Guimarães;

aos amigos do Laboratório Banco de Fluxo da PUC Minas;

aos técnicos da PUC Minas Pedro Kapler e Carlos Eduardo dos Santos e ao Eng. Vinícius

Maia de Sá pelo auxílio na parte experimental;

à UFMG, instituição responsável pelo programa de pós-graduação;

ao Departamento de Engenharia Eletrônica, em especial ao Eng. Alexandre Pereira Leal,

ao Eng. Gabriel Teixeira Braga e ao Prof. Dr. Marcos Antônio Mendes Severo.

ao CNPq, pela bolsa de estudos em uma etapa do trabalho;

à PUC Minas, FPT Powertrain Technologies e a FIAT Automóveis, pela colaboração com

o fornecimento de equipamentos, da estrutura, do material e do local para a realização dos

testes experimentais;

A todos que me ajudaram de alguma forma, meus sinceros agradecimentos.

viii

SUMÁRIO

Resumo...................................................................................................................... iv

Abstract...................................................................................................................... v

Dedicatória................................................................................................................. vi

Agradecimentos......................................................................................................... vii

Sumário...................................................................................................................... viii

Lista de figuras...........................................................................................................

Lista de tabelas...........................................................................................................

xviii

Simbologia................................................................................................................. xix

1. Introdução...................................................................................................

1.1. Aspectos gerais...........................................................................................

1.2. Estado da arte............................................................................................. 2

1.3. Escopo do trabalho..................................................................................... 5

2. Objetivos e relevância................................................................................ 5

2.1. Objetivo geral............................................................................................. 5

2.2. Objetivos específicos..................................................................................

2.3. Relevância do trabalho............................................................................... 6

3. Revisão bibliográfica..................................................................................

3.1. Introdução...................................................................................................

3.2. Dinâmica dos condutos de admissão..........................................................

3.3. Dinâmica dos ressonadores........................................................................ 27

3.4. Dinâmica do escoamento através do acionamento das válvulas................ 37

3.5. Ondas Acústicas e suas características....................................................... 38

3.6. Teoria de controle eletrônico......................................................................

3.6.1. Introdução...................................................................................................

3.6.2. Motor de corrente contínua........................................................................ 43

3.6.3. Inércia efetiva e amortecimento efetivo..................................................... 43

3.6.4. Conversor cc-cc ponte completa efetivo.................................................... 47

3.6.5. O efeito do tempo morto............................................................................ 51

3.6.6. Controlador DSP TMS320LF2407 da família C2000................................

3.6.7. Análise no domínio da freqüência..............................................................

3.6.8. Filtros Ativos Passa-Baixas........................................................................

3.6.9. Aplicação de dispositivos de controle........................................................ 62

3.7. Testes de desempenho em dinamômetro de bancada................................. 64

3.8. Considerações finais...................................................................................

4. Metodologia............................................................................................... 66

4.1. Introdução...................................................................................................

4.2. Desenvolvimento do ressonador de volume variável.................................

4.2.1. Desenvolvimento do sistema mecânico do ressonador de volume

variável.......................................................................................................

4.2.2. Metodologia experimental e numérica para o controle eletrônico do

ressonador...................................................................................................

4.2.2.1.

Introdução...................................................................................................

4.2.2.2.

Levantamento das curvas de pressão e temperatura...................................

4.2.2.3.

Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta....................... 79

4.2.2.4.

Levantamento da curva do sensor de rotação do eixo virabrequim........... 80

4.2.2.5.

Levantamento da curva do Sensor de posição da palheta.......................... 81

4.2.3. Tratamento de sinais...................................................................................

4.2.3.1.

Tratamento do sinal de pressão.................................................................. 83

4.2.3.2.

Tratamento do sinal de temperatura........................................................... 84

4.2.3.3.

Tratamento do sinal de posição da borboleta............................................. 86

4.2.3.4.

Tratamento do sinal de rotação do virabrequim......................................... 88

4.2.3.5.

Tratamento do sinal de posição da palheta do ressonador......................... 89

4.2.4. Modelo do sistema de acionamento do ressonador.................................... 89

4.2.4.1.

Estimação de Parâmetros........................................................................... 91

4.2.4.2.

Validação do modelo..................................................................................

4.2.5. Projeto do Controlador............................................................................... 98

4.3. Metodologia dos testes em Banco de Fluxo e dinamômetro de

bancada.......................................................................................................

106

4.3.1. Metodologia dos testes em Banco de Fluxo............................................... 106

4.3.1.1.

Procedimentos para os testes em Banco de Fluxo......................................

108

4.3.1.2.

Determinação das dimensões do conduto de admissão de tubo reto..........

109

4.3.1.3.

Influência da abertura e fechamento das válvulas no comportamento da

onda de pressão..........................................................................................

111

4.3.1.4.

Influência do movimento das válvulas e dos pistões na onda de pressão

no conduto reto de admissão para o motor funcionando com um

cilindro.......................................................................................................

113

4.3.1.5.

Influência da posição do ressonador na onda de pressão no conduto reto

de admissão................................................................................................

115

4.3.1.6.

Estudo da influência da geometria do ressonador...................................... 117

4.3.1.7.

Estudo do sistema de admissão completo sem o ressonador..................... 118

4.3.1.8.

Estudo da vazão com a inserção do ressonador de volume variável..........

123

4.3.2. Metodologia experimental dos testes em Dinamômetro de Bancada........ 125

4.3.2.1.

Metodologias utilizadas nos pré-testes realizados no dinamômetro da

PUC Minas.................................................................................................

128

4.3.2.2.

Metodologia utilizada nos testes em dinamômetro elétrico da FPT.......... 131

5. Resultados e análises.................................................................................. 136

5.1. Introdução...................................................................................................

136

5.2. Testes realizados no Banco de Fluxo......................................................... 136

5.2.1. Resultados do comportamento da vazão de ar........................................... 136

5.2.2. Resultado do comportamento da onda de pressão gerada no conduto de

admissão pelo movimento da válvula de admissão (configuração

cabeçote).....................................................................................................

138

5.2.3. Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com

motor monocilindro....................................................................................

140

5.2.4. Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com a

presença do ressonador de volume variável...............................................

142

5.2.5. Resultados do comportamento da vazão mássica considerando a

influência do movimento das quatro válvulas de admissão e do

ressonador em um sistema de admissão completo.....................................

147

5.3. Testes realizados no dinamômetro de bancada.......................................... 151

5.3.1. Introdução.................................................................................................. 151

5.3.2. Testes realizados no dinamômetro da FPT Powertrain Tecnologies......... 151

5.3.3. Resultados de Torque, Potência e Consumo Específico em função da

variação do volume do ressonador.............................................................

165

5.3.4. Análise do desempenho do motor em função do volume do ressonador

para toda a faixa de operação.....................................................................

185

5.3.5. Considerações finais...................................................................................

187

6. CONCLUSÕES..........................................................................................

189

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..................................... 192

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………..

194

Anexo A1................................................................................................................... 210

Modelo das tabelas para aquisição de dados.............................................. 210

A.1. Modelo das tabelas para aquisição de dados no banco de fluxo................ 211

Anexo A2................................................................................................................... 212

A.2. Modelo das tabelas para aquisição de dados no dinamômetro de bancada

212

Anexo B..................................................................................................................... 215

Modelo da tela de interface do controle eletrônico aplicado ao

ressonador de palheta................................................................................

215

Tela de interface do controle eletrônico do ressonador implementado 216

Apêndice I.................................................................................................................. 217

I.1 Análise de incerteza dos dados obtidos no Banco de Fluxo...................... 217

I.1.1. Incerteza para a medição de vazão............................................................. 217

I.1.2. Incerteza para a medição de pressão.......................................................... 217

I.2. Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da PUC Minas 218

I.2.1. Incerteza para a medição de força.............................................................. 218

I.2.2. Incerteza para a medição de rotação.......................................................... 219

I.2.3. Incerteza do raio do dinamômetro..............................................................

219

I.2.4. Incerteza para a medição de torque............................................................ 219

I.2.5. Incerteza para a medição de potência.........................................................

220

I.2.6. Incerteza para a medição de consumo específico.......................................

221

I.3. Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da FPT.............. 223

I.3.1. Incerteza para a medição de torque............................................................ 224

I.3.2. Incerteza para a medição de potência.........................................................

224

I.3.3. Incerteza para a medição de pressão média efetiva....................................

225

I.3.4. Incerteza para a medição do consumo específico de combustível............. 226

Apêndice II................................................................................................................

II.1. Resultados da validação do controle do ressonador eletrônico de volume

variável.......................................................................................................

227

II.2. Respostas do ressonador eletrônico aos experimentos estáticos e

dinâmicos no Banco de Fluxo.................................................................... 231

Apêndice III...............................................................................................................

III. Resultados dos testes realizados no dinamômetro da PUC Minas............. 235

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1 Onda de pressão em função da posição......................................... 10

FIGURA 3.2 Pressão na admissão versus ângulo de movimento do pistão........ 11

FIGURA 3.3 Esquema de um pulso de pressão inicial e refletido...................... 12

FIGURA 3.4 Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função

do tempo para uma rotação do eixo comando de válvulas de 200

rev/min (Pereira, 2004).................................................................. 14

FIGURA 3.5 Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função

do ângulo do eixo comando de válvula para um ciclo do motor

(Pereira, 2004)................................................................................

FIGURA 3.6 Influência da geometria e do diâmetro da seção reta do conduto

de admissão no rendimento volumétrico do motor (Heisler,

1995).............................................................................................. 16

FIGURA 3.7 Influência do comprimento do conduto de admissão no

rendimento volumétrico do motor (Heisler, 1995)........................ 17

FIGURA 3.8 Rendimento volumétrico versus rotação do motor (Heisler,

1995).............................................................................................. 18

FIGURA 3.9 Efeitos do comprimento do conduto na eficiência volumétrica

em um motor Jaguar.......................................................................

FIGURA 3.10

Motor dois cilindros, horizontal, quatro tempos com coletor de

admissão adaptado (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999).......... 20

FIGURA 3.11

Curva de torque em função dos comprimentos do conduto de

admissão (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)..........................

FIGURA 3.12

Curvas de torque (N

) e potência (M

) do motor adaptado para o

diversos comprimentos do conduto de admissão (Nowakowski e

Sobieszczanski, 1999).................................................................... 21

FIGURA 3.13

Influência do comprimento do coletor na eficiência volumétrica

(Paffrath et al, 1999)...................................................................... 24

FIGURA 3.14

Modelo de um sistema de admissão com comprimento variável

(Paffrath et al, 1999)...................................................................... 24

FIGURA 3.15

Influência do ponto de inserção da borboleta na eficiência

volumétrica em novas tecnologias de sistemas de admissão

(Paffrath et al, 1999)...................................................................... 25

FIGURA 3.16

Diagrama P versus V dentro do cilindro demonstra uma

minimização das perdas de bombeando com o sistema de

admissão sem borboleta (Ashhab et al,1998)................................ 27

FIGURA 3.17

Ressonador de Helmholtz.............................................................. 28

FIGURA 3.18

Rendimento Volumétrico versus Rotação do Motor (Heywood,

1998).............................................................................................. 30

FIGURA 3.19

Protótipo do conduto de admissão com o ressonador (Selamet et

al, 2001)......................................................................................... 32

FIGURA 3.20

Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação

do motor de 1780 rev/min, (a) posição 92, (b) posição 93 e (c)

posição 91 (Selamet et al, 2001).................................................... 33

FIGURA 3.21

Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação

do motor de 1780 rev/min, (a) posição 81, (b) posição 86 e (c)

posição 72 (Selamet et al, 2001).................................................... 34

FIGURA 3.22

Efeito do Ajuste dos Pulsos de Pressão (Ohata et al, 1982).......... 38

xii

FIGURA 3.23

Efeito da simetria do conduto nos Pulsos de Pressão (Paffrath et

al, 1999)......................................................................................... 40

FIGURA 3.24

Ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006)................................................................. 41

FIGURA 3.25

Resposta do ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006)................................................................. 42

FIGURA 3.26

Parâmetros geométricos da seção avaliada por Hemón et al,

2004................................................................................................

FIGURA 3.27

Circuito equivalente da máquina cc............................................... 44

FIGURA 3.28

Modelo mecânico do conjugado de um motor cc conectado

a uma carga inercial via um conjunto de engrenagens.................. 46

FIGURA 3.29

Conversor cc-cc ponte completa.................................................... 48

FIGURA 3.30

Formas de onda de vo.................................................................... 49

FIGURA 3.31

Formas de onda de v

considerando 3 períodos T.......................... 50

FIGURA 3.32

Efeito do tempo morto................................................................... 51

FIGURA 3.33

Efeito do tempo morto (gráfico).................................................... 53

FIGURA 3.34

Filtro passa-baixas parâmetros de projeto......................................

FIGURA 3.35

Circulo de raio rB no plano s......................................................... 55

FIGURA 3.36

Topologia Sallen-key..................................................................... 58

FIGURA 3.37

Estágio de primeira ordem de um filtro passa-baixas.................... 60

FIGURA 3.38

Divisor de tensão aplicado à saída de um filtro............................. 61

FIGURA 3.39

Controle de ruído semi-ativo para tubos de escapamento

(Pacheco, 2006)..............................................................................

FIGURA 3.40

Protótipo de uma borboleta ou uma palheta (Vaculik, 2001)........ 63

FIGURA 3.41

Princípio de funcionamento do sistema magnético....................... 63

FIGURA 4.1 Modelo do ressonador de pistão.................................................... 67

FIGURA 4.2 Foto do ressonador de pistão com o suporte de fixação................ 68

FIGURA 4.3 Modelo do ressonador de palheta.................................................. 69

FIGURA 4.4 Esquema do ressonador de palheta acoplado ao conduto de

admissão do motor......................................................................... 70

FIGURA 4.5 Foto da parte superior do ressonador de palheta............................

FIGURA 4.6 Foto da parte externa e inferior do ressonador de palheta............. 71

FIGURA 4.7 Modelo do ressonador de palheta com o motor cc incorporado

ao sistema de redução.................................................................... 72

FIGURA 4.8 Diagrama de blocos do funcionamento do controlador DSP......... 73

FIGURA 4.9 Esquema do sistema de controle com o ressonador de palheta..... 74

FIGURA 4.10

Levantamento dos dados de pressão realizado com o sensor

CMD em bancada.......................................................................... 75

FIGURA 4.11

Resposta estática do sensor de pressão com motor em marcha

lenta................................................................................................ 76

FIGURA 4.12

Resposta estática do sensor de pressão para as demais condições

de operação do motor..................................................................... 77

FIGURA 4.13

Levantamento dos dados de temperatura realizado com o sensor

CMD em bancada.......................................................................... 78

FIGURA 4.14

Resposta estática do sensor de temperatura................................... 78

FIGURA 4.15

Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta........... 79

FIGURA 4.16

Resposta estática do sensor de posição da borboleta..................... 80

FIGURA 4.17

Resposta estática do sensor CKP................................................... 81

FIGURA 4.18

Resposta estática do potenciômetro de posição da palheta............

FIGURA 4.19

Diagrama do circuito do filtro........................................................

xiii

FIGURA 4.20

Diagrama do circuito do filtro........................................................

FIGURA 4.21

Diagrama do circuito do filtro........................................................

FIGURA 4.22

Representação da contagem de períodos de clock de um sinal em

forma de onda quadrada................................................................. 88

FIGURA 4.23

Conjunto de engrenagens do sistema de redução.......................... 90

FIGURA 4.24

Resultado do ensaio de estimação de Ra....................................... 92

FIGURA 4.25

Resultado do ensaio de estimação de Kv....................................... 93

FIGURA 4.26

Curva de desaceleração do motor cc..............................................

FIGURA 4.27

Curva de desaceleração sem filtro................................................. 95

FIGURA 4.28

Curva de desaceleração filtrada..................................................... 96

FIGURA 4.29

Esquema do modelo simplificado do sistema................................ 97

FIGURA 4.30

Resposta do modelo validado........................................................ 98

FIGURA 4.31

Diagrama de blocos do sistema em malha fechada....................... 99

FIGURA 4.32

Os pólos de malha aberta e o pólo desejado.................................. 100

FIGURA 4.33

Relação de ângulos do lugar das raízes..........................................

100

FIGURA 4.34

Segmentos de reta da condição de módulo do lugar das raízes..... 101

FIGURA 4.35

Resposta do sistema para z = -0,9822............................................ 101

FIGURA 4.36

Posição do zero do sistema em relação ao pólo real...................... 102

FIGURA 4.37

Resposta do sistema para z = -0,0021............................................ 104

FIGURA 4.38

Modelo simplificado do DSP......................................................... 105

FIGURA 4.39

Modelo do DSP implementado...................................................... 105

FIGURA 4.40

Resposta do modelo do sistema em malha fechada ao degrau de

entrada............................................................................................ 106

FIGURA 4.41

Fotografia mostrando uma vista geral do banco de fluxo.............. 107

FIGURA 4.42

Esquema geral do banco de fluxo.................................................. 108

FIGURA 4.43

Variação da temperatura em função do tempo na realização de

um teste experimental no banco de fluxo...................................... 109

FIGURA 4.44

Foto da configuração cabeçote acionado pelo motor elétrico

(sistema de referência)................................................................... 111

FIGURA 4.45

Esquema da bancada considerando apenas a influência das

válvulas.......................................................................................... 112

FIGURA 4.46

Esquema da instalação e distribuição dos sensores....................... 113

FIGURA 4.47

Foto da configuração motor acionado pelo motor elétrico............ 114

FIGURA 4.48

Esquema da montagem do motor no banco de fluxo..................... 114

FIGURA 4.49

Detalhe do acoplamento do motor elétrico ao motor de

combustão interna.......................................................................... 115

FIGURA 4.50

Ressonador de Helmholtz no tubo reto.......................................... 116

FIGURA 4.51

Posicionamento do Ressonador e detalhes do tubo linear de

admissão.........................................................................................

116

FIGURA 4.52

Modelo dos três ressonadores de geometrias diferentes................ 117

FIGURA 4.53

Modelo do coletor de admissão com o cabeçote do motor............ 119

FIGURA 4.54

Desenho da linha de centro da entrada da válvula ao plenum do

coletor de admissão e os diâmetro médio em secções

eqüidistantes ao longo do duto.......................................................

120

FIGURA 4.55

Modelo do conduto e a linha de centro da borboleta a mangueira

flexível........................................................................................... 121

FIGURA 4.56

Modelo da mangueira flexível e a linha de centro do conduto ao

filtro de ar.......................................................................................

121

FIGURA 4.57

Modelo do filtro de ar.................................................................... 122

FIGURA 4.58

Modelo e a linha média do duto de entrada do filtro de ar............ 122

xiv

FIGURA 4.59

Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo com o sistema de

admissão original........................................................................... 123

FIGURA 4.60

Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo com o sistema de

admissão original e a inserção do ressonador de palheta...............

124

FIGURA 4.61

Posição da instalação do transdutor de pressão no conduto de

admissão.........................................................................................

125

FIGURA 4.62

Motor 1368 cm

preparado sobre a estrutura para ser acoplado

ao dinamômetro............................................................................. 126

FIGURA 4.63

Montagem do motor no dinamômetro hidráulico – PUC Minas... 127

FIGURA 4.64

Montagem do motor no dinamômetro elétrico – FPT................... 127

FIGURA 4.65

Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm

ressonador com pescoço de 560 mm de comprimento.................. 129

FIGURA 4.66

Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm

ressonador com pescoço de 170 mm de comprimento.................. 130

FIGURA 4.67

Posicionamento do pescoço do ressonador e do sensor de

pressão no conduto de admissão.................................................... 130

FIGURA 4.68

Posicionamento do sensor de pressão no interior do ressonador... 131

FIGURA 4.69

Diagrama de válvula do motor VVT 0.......................................... 132

FIGURA 4.70

Local de inserção do ressonador no conduto de admissão............ 133

FIGURA 4.71

Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de

admissão.........................................................................................

134

FIGURA 4.72

Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de

admissão.........................................................................................

134

FIGURA 4.73

Montagem do motor com a inserção do ressonador no plenum

do coletor de admissão no dinamômetro....................................... 135

FIGURA 5.1 Comportamento da vazão obtida em Banco de Fluxo em função

da rotação do eixo comando de válvulas para os quatro

experimentos realizados................................................................. 138

FIGURA 5.2 Variação da pressão com o ângulo do eixo comando de válvulas

para uma rotação de 1200 rev/min para a configuração cabeçote 139

FIGURA 5.3 Variação da pressão com o ângulo do eixo comando de válvulas

para uma rotação de 1600 rev/min para a configuração cabeçote 139

FIGURA 5.4 Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para o motor completo com duto reto montado no

Banco de Fluxo.............................................................................. 140

FIGURA 5.5 Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo

comando de válvulas para uma rotação de 1200 rev/min para a

configuração motor........................................................................ 141

FIGURA 5.6 Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo

comando de válvulas para uma rotação de 1600 rev/min para a

configuração motor........................................................................ 142

FIGURA 5.7 Comportamento da vazão sem e com o ressonador para as quatro

posições do conduto de admissão em função da rotação do eixo

comando de válvulas...................................................................... 143

FIGURA 5.8 Comportamento da vazão sem e com o ressonador para a

posição de máxima vazão em função da rotação do eixo

comando de válvulas...................................................................... 144

FIGURA 5.9 Pressão no interior do ressonador para as rotações de 400, 600 e

1200 rev/min do eixo comando de válvulas.................................. 145

FIGURA 5.10

Pressão no interior do cilindro para as quatro posições do

ressonador e para a configuração motor com duto reto e sem

ressonador para a rotação de 1200 rev/min....................................

146

FIGURA 5.11

Análise Espectral da Pressão no interior do Cilindro com e sem

o ressonador, motor com conduto reto nas quatro posições.......... 147

FIGURA 5.12

Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para a configuração cabeçote com sistema de admissão

completo montado no Banco de Fluxo.......................................... 148

FIGURA 5.13

Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para os cinco volumes do ressonador testados para o

sistema de admissão completo....................................................... 149

FIGURA 5.14

Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para a máxima vazão obtidas para o sistema de

Admissão completo sem ressonador e ressonador com volume

de 3,53 litros...................................................................................

150

FIGURA 5.15

Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para as diversas geometrias do volume do ressonador

para o sistema de admissão completo............................................ 150

FIGURA 5.16

Torque de referência em função da rotação do motor para toda a

faixa de operação (VVT 0)............................................................ 152

FIGURA 5.17

Torque em função da rotação do para a configuração original

para os motores FIRE 1242 cm

e 1368 cm

................................. 153

FIGURA 5.18

Torque em função da rotação do motor para o ressonador no

conduto de admissão...................................................................... 154

FIGURA 5.19

Torque em função da rotação do motor para o ressonador no

coletor de admissão........................................................................ 154

FIGURA 5.20

Potência de referência em função da rotação do motor para toda

a faixa de operação.........................................................................

155

FIGURA 5.21

Potência em função da rotação do motor para o ressonador no

conduto de admissão...................................................................... 156

FIGURA 5.22

Potência em função da rotação do motor para o ressonador no

coletor de admissão........................................................................ 156

FIGURA 5.23

Consumo específico de referência em função da rotação do

motor para toda a faixa de operação.............................................. 157

FIGURA 5.24

Consumo específico em função da rotação do motor para o

ressonador no conduto de admissão...............................................

158

FIGURA 5.25

Consumo específico em função da rotação do motor para o

ressonador no coletor de admissão................................................ 159

FIGURA 5.26

Pressão média efetiva em função da rotação do motor para o

ressonador no conduto de admissão...............................................

160

FIGURA 5.27

Pressão média efetiva em função da rotação do motor para o

ressonador no coletor de admissão................................................ 160

FIGURA 5.28

Fator lambda otimizado pelo torque em função da rotação do

motor para o ressonador no conduto de admissão......................... 161

FIGURA 5.29

Fator lambda otimizado pelo troque em função da rotação do

motor para o ressonador no coletor de admissão........................... 161

FIGURA 5.30

Temperatura no catalisador em função da rotação do motor......... 162

FIGURA 5.31

Avanço de ignição em função da rotação do motor.......................

163

FIGURA 5.32

Pressão no coletor de admissão em função da rotação do motor...

164

FIGURA 5.33

Pressão no coletor de descarga em função da rotação do motor....

164

xvi

FIGURA 5.34

Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações analisadas com rotação de 2000 rev/min................ 165

FIGURA 5.35

Pressão do sistema sem ressonador em função do tempo.............. 166

FIGURA 5.36

Pressão do sistema em função do tempo........................................

167

FIGURA 5.37

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88

litros............................................................................................... 168

FIGURA 5.38

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65

litros............................................................................................... 169

FIGURA 5.39

Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min...............

170

FIGURA 5.40

Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min...... 170

FIGURA 5.41

Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas e uma rotação de 2500 rev/min...............

171

FIGURA 5.42

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 4,42

litros............................................................................................... 172

FIGURA 5.43

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 0,88

litros............................................................................................... 172

FIGURA 5.44

Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min......... 173

FIGURA 5.45

Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min 174

FIGURA 5.46

Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min......... 174

FIGURA 5.47

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 1,77

litros............................................................................................... 175

FIGURA 5.48

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65

litros............................................................................................... 176

FIGURA 5.49

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 3,53

litros............................................................................................... 176

FIGURA 5.50

Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min......... 177

FIGURA 5.51

Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min 178

FIGURA 5.52

Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min......... 178

FIGURA 5.53

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500

rev/min em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88

litros............................................................................................... 179

FIGURA 5.54

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500

rev/min em função do tempo – ressonador no conduto com 1,77

litros............................................................................................... 180

xvii

FIGURA 5.55

Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min.........

181

FIGURA 5.56

Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min 181

FIGURA 5.57

Torque em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min......... 182

FIGURA 5.58

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500

rev/min em função do tempo – ressonador com 4,42 litros........... 183

FIGURA 5.59

Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500

rev/min em função do tempo – ressonador com 2,65 litros........... 183

FIGURA 5.60

Potência em função do volume do ressonador para as duas

configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min......... 184

FIGURA 5.61

Consumo específico em função do volume do ressonador para as

duas configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min 185

FIGURA 5.62

Ganho em torque com a inserção do ressonador de volume

variável...........................................................................................

186

FIGURA 5.63

Ganho em potência com a inserção do ressonador de volume

variável...........................................................................................

186

FIGURA 5.64

Ganho em consumo específico com a inserção do ressonador de

volume variável..............................................................................

187

xviii

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1 Estados possíveis para as chaves do conversor.............................

TABELA 4.1 Dimensões construtivas do ressonador de pistão.......................... 67

TABELA 4.2 Volumes relativos ao curso aplicado............................................ 68

TABELA 4.3 Dimensões construtivas do ressonador de palheta........................ 71

TABELA 4.4 Volumes relativos ao ângulo aplicado no ressonador de palheta 71

TABELA 4.5 Dados do ensaio de desaceleração................................................ 94

TABELA 4.6 Valores comparativos - estabelecido x encontrado....................... 103

TABELA 4.7 Freqüências de Ressonância para o Conduto, Fechado na

Extremidade.................................................................................. 110

TABELA 4.8 Freqüências de Ressonância para o Conduto, Aberto na

Extremidade.................................................................................. 110

TABELA 4.9 Variação da freqüência de ressonância......................................... 119

TABELA 5.1 Características dos testes realizados no Banco de Fluxo.............. 137

TABELA 5.2 Variação do volume do ressonador de pistão................................

153

xix

SIMBOLOGIA

AD - Analógico/Digital

ADC - Conversor Analógico Digital (analogic digital converter)

ANP - Agência Nacional do Petróleo

APMS - Graus antes do ponto morto superior

A/F - Razão mássica ar-combustível

b - Coeficiente de Atrito Viscoso

c - Velocidade de propagação do som no ar

cc - Corrente Contínua

CCS - Code Composer Studio

CI - Ignição por compressão

CKP - Crank shaft position

CMD - Conjunto medidor de densidade

DPMS - Depois do ponto morto superior

DSP - Processador de Sinal Digital (Digital Signal Processor)

E25 - Gasolina brasileira com a adição de 25% de álcool etílico anidro

ECU - Unidade de central eletrônica

EVC - Válvula de descarga fechada, do inglês exhaust valve closed

EVO - Válvula de descarga aberta, do inglês exhaust valve open

f - Força

FFT - Transformada rápida de Fourier

FPT - Fiat Powertrain

FIAT - Do italiano, Fabbrica Italiana di Automobili Torino

FIRE - Do inglês, Fully Integrated Robotized Engine

GNV - Gás natural veicular

h - altura

HC – Hidrocarboneto

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition

HP - Do inglês, Horse Power

I – Corrente elétrica

ICE - Ignição por centelha

ICO - Ignição por compressão

IVC - Válvula de admissão fechada, do inglês intake valve closed

IVO - Válvula de admissão aberta, do inglês intake valve open

J - Momento de Inércia

l - Comprimento

L - Indutância Elétrica

LDI - Limite de detonação inferior

m - Conjugado (torque)

M - Massa

MAP - Pressão absoluta no coletor de admissão, do inglês Mainfold absolute pressure

MBT - Máximo torque, ou menor ângulo de avanço para o máximo torque

MCI – Motor de combustão interna

MIPS - Milhões de instruções por segundo

N - Freqüência de rotação do motor (rev/min)

NTC - Coeficiente de temperatura negativo

OPEP - Organização dos Países Exportadores do Petróleo

p - Pressão

P - Potência

PD - Proporcional e derivativo

PI – Proporcional Integral

PID - Proporcional, integral e derivativo

PME - Pressão média efetiva

PMI - Ponto morto inferior

PMS - Ponto morto superior

PWM – Pulse width module

r - raio

R - Resistência Elétrica

SFC - Consumo específico de combustível

SI - Ignição por centelha

t - Tempo

T - Temperatura

TPS - Sensor de posição da borboleta, do inglês throttle position sensor

V - Tensão - Volts

VVT - Variable Valve Timing

Z - Impedância Elétrica ou Acústica

ω - Velocidade angular

xxi

WOT - Ângulo de abertura máximo da borboleta, do inglês wide open throttle

∆P - Delta de pressão entre porta da válvula e o conduto de admissão

ρ - massa específica

θ - Posição angular

θ - Ângulo de fase entre pressões

- Deslocamento angular do pistão (graus)

1. INTRODUÇÃO

1.1. Aspectos Gerais

Devido ao crescimento da indústria automotiva no Brasil e da comercialização de automóveis

com motores de combustão interna multicombustíveis (sistemas Flex Fuel), identificou-se

uma necessidade contínua de estudos com relação ao desempenho desses motores.

Atualmente estão sendo propostas diversas alternativas de melhoria em seu desempenho,

sendo principalmente analisados turbo-compressores, sobre-alimentadores, injeção direta de

combustível, comando variável das válvulas, otimização da taxa de compressão e a

compactação do conjunto motopropulsor, entre outros, na tentativa de atingir uma otimização

do desempenho em regimes de cargas intermediárias. Os motores de combustão interna de

baixa cilindrada representam a maioria dos veículos comercializados no Brasil (em torno de

70% dos veículos fabricados pela Fiat Automóveis S/A possuem motores com cilindrada

inferior 1400 cm

) sendo suas principais vantagens a combinação de alta potência com baixo

consumo de combustível, a um custo comercial.

No mercado atual existem poucos veículos disponíveis que utilizam algum tipo de dispositivo

mecânico ou eletrônico de modo a permitir variação da eficiência volumétrica nos condutos

de admissão. Contudo, vários conceitos estão sendo testados nos condutos de admissão e

comando de válvulas para melhoria do enchimento do cilindro, visando o projeto de novos

coletores que maximizem a condução de ar para o interior do cilindro.

Muitas das inovações tecnológicas aplicadas em veículos de competição foram transferidas

para a produção seriada, que possui configurações e potências específicas inferiores. Com a

possibilidade de aumentar a eficiência volumétrica dos motores de ignição por centelha,

foram analisadas modificações nas características geométricas e de operação do coletor de

admissão. Considerações a respeito de metodologia de análise, testes experimentais e

numéricos e teorias de controle para sistemas dinâmicos são analisadas neste trabalho.

INTRODUÇÃO

1.2. Estado da Arte

No estudo de eficiência volumétrica de motores de combustão interna podem-se seguir várias

metodologias de pesquisa científica para se obter sua maximização. Estas metodologias

podem ser aplicadas ao sistema de admissão, às válvulas de admissão e ao sistema de

acionamento, ao controle das fases das válvulas e ao sistema de descarga.

Os estudos aplicados ao sistema de admissão podem ser avaliados com ênfase na dinâmica do

escoamento, nas trocas de calor ou acústica, ou simplesmente em seus acessórios

separadamente, como filtro de ar, condutos e coletores de admissão, borboleta e ressonadores

(Paffrath et al, 1990).

A partir da década de 1970, vários estudos para melhoramento de sistemas de admissão foram

avaliados, envolvendo tanto a redução do nível de ruído quanto a indução de uma maior

quantidade mássica de ar (Panton e Miller, 1975 e Brads, 1979). Kinler et al, 1980,

Monkewitz e Nguyen, 1985, Selamet, 1995, Selamet e Radavich, 1995, Hanriot, 2001,

Selamet et al 2001, Liu et al, 2003, Hémon et al, 2004, Oshkai et al, 2005 , Rodrígues et al,

2006, Pereira et al, 2007 avaliam respostas dinâmicas de ressonadores inseridos no conduto

de admissão por meio de metodologias numéricas e experimentais. Ohata e Ishida, 1982,

Fukutani e Watanabe, 1982, Bicen et al, 1985, Arcoumanis et al, 1987, Winterbone et al,

1989 e 1990, Peter e Gosman, 1993, Boretti e Cantori, 1996, Gasparetti et al, 1996, Gindele et

al, 1997, Benajes et al, 1997, Bauer et al, 1998, Hanriot et al, 1999, Pearson et al, 1999,

Belmabrouk e Michard, 2001, Pereira et al, 2003, Rodrígues et al, 2006, consideram a

dinâmica do escoamento, avaliando as ondas de pressão através de modelos físicos e

matemáticos em análise numéricas e experimentais.

Na utilização do controle de acionamento e fase das válvulas para maximizar a eficiência

volumétrica, Dresner e Barkan, 1989, Hara et al, 2000, Pierik e Burkhard, 2000, Jankovic e

Magner, 2001, e Schirm, 2003, apresentaram projetos de diferentes tipos de acionamentos

mecânicos. Seguidos pela mesma motivação Urata et al, 1993, e Lenz et al, 1989,

apresentaram sistemas de acionamento mecânico-hidráulico e Cunha et al, 2000 estudaram

um conceito alternativo de acionamento hidráulico das válvulas. Ashhab et al, 1998,

avaliaram as melhorias em eficiência do sistema de admissão, torque e redução de emissões

com o controle contínuo das válvulas para controle de carga, modelo desenvolvido para uma

INTRODUÇÃO

operação sem borboleta. Alguns motores de produção da BMW, Porsche, Honda e Toyota

cumprem esta crescente demanda por mais potência, maior economia de combustível e

emissões reduzidas. Poucos veículos disponíveis hoje no mercado brasileiro utilizam algum

tipo de acionamento mecânico que permite certa flexibilidade nos tempos de abertura das

válvulas de admissão e descarga, optando-se por alterações do diagrama de válvulas.

Avaliações acústicas foram realizadas por Seybert et al, 1985, Nishio et al, 1991, Dear e

Ingard, 1993, Kouston e Lin, 1994, Morel e Costello, 1994, Oliveira, 1998, Higashiyama e

Iwamoto, 1999, Doria, 2000, Endo et al, 2000, Kim e Lee, 2001, Selamet et al 2001. Para o

projeto e otimização do sistema de descarga, Shen et al, 1997, D’erric et al, 2000, Roselló et

al, 2002, Pinto e Pacheco, 2006, Siqueira et al, 2006, utilizam de métodos numéricos e

experimentais para maximizar a eficiência do processo de descarga.

Na década de 1970, no Brasil, o álcool etílico aparecia como opção de combustível alternativo

para os veículos automotores, sendo realizados, com o apoio do governo por meio do

Programa Nacional de Álcool, vários estudos em motores de combustão interna. Já na década

de 1980 o gás natural (GNV) também surgiu para minimizar novamente a alta e os efeitos da

crise do petróleo no mercado mundial. Diante da diversidade de combustível foi necessário o

desenvolvimento da tecnologia para motores flexíveis, sendo o motor capaz de operar

adequadamente com mais de um combustível. Estes estudos dos motores multicombustíveis

se iniciaram para aplicação militar e hoje são uma realidade no mercado brasileiro. A

Volkswagem, em 2003, lançou o primeiro automóvel flexível no Brasil e em 2004 a Fiat e

General Motors lançaram no mercado brasileiro veículos com esta tecnologia. Para avaliação

do desempenho dos motores multicombustíveis, Baêta, 2006, apresenta uma metodologia de

maximização do desempenho para os diversos combustíveis.

Alguns estudos foram realizados com o intuito de buscar alternativas para a fabricação do

mecanismo de variação e controle do volume do ressonador e realização de testes em banco

de fluxo e em dinamômetro de bancada. Estes trabalhos são mencionados na revisão

bibliográfica. Neste trabalho é projetado, construído e testado um ressonador de volume

variável e analisado o seu comportamento em banco de fluxo e dinamômetro de bancada,

visando um aumento da eficiência volumétrica em motores de combustão interna.

INTRODUÇÃO

1.3. Escopo do trabalho

No Capítulo 2 são apresentados os objetivos e a relevância do trabalho. A revisão

bibliográfica é apresentada no capítulo 3 e envolve a dinâmica do processo de admissão e

trabalhos de pesquisadores, patentes e fabricantes automotivos sobre modelos que analisam a

variação do fluxo de ar no conduto de admissão. Envolve testes estacionários e transientes em

banco de fluxo e testes dinâmicos de motores em bancada. Apresenta também modelos

teóricos de sistemas dinâmicos de escoamento e uma teoria de controle eletrônico aplicada

neste projeto. O Capítulo 4 apresenta a metodologia para utilização do aparato experimental, o

banco de fluxo, o dinamômetro de bancada, o motor utilizado e o sistema eletrônico de

controle. Nesse capítulo também são apresentadas as alterações realizadas no conduto de

admissão, os modelos dos ressonadores propostos e as metodologias experimentais e

numéricas que foram utilizadas em cada etapa da execução dos procedimentos. O tratamento

dos sinais, os modelos do sistema e o projeto do controlador também são apresentados no

Capítulo 4.

No capítulo 5 são apresentados os resultados experimentais dos testes realizados no banco de

fluxo implementado para as diversas situações, onde são discutidos detalhadamente os dados

obtidos e feitas comparações com resultados encontrados na literatura. Os testes

experimentais de desempenho em dinamômetro são apresentados para as diversas variações

de volume e posição do ressonador, com os demais parâmetros fixos tais como, por exemplo,

avanço de ignição e razão ar combustível. O capítulo 6 apresenta as conclusões do trabalho,

identificando o projeto e a construção do ressonador e a metodologia com as variáveis mais

representativas nos processos de admissão, com ênfase aos ganhos obtidos a partir das

operações propostas. As sugestões para trabalhos futuros são apresentadas no capítulo 7,

fornecendo outras possibilidades para pesquisas com a utilização dos mesmos aparatos

experimentais, obtendo novas informações para o conhecimento dos temas tratados ao longo

do trabalho. Em seguida, no capítulo 8 apresentam-se as referências bibliográficas citadas no

trabalho.

2. OBJETIVOS E RELEVÂNCIA

2.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo geral desenvolver e construir um ressonador de volume

variável e realizar estudos referentes aos fenômenos transientes em sistemas de admissão de

motores de combustão interna com a presença desse ressonador, visando uma metodologia

para maximização da eficiência volumétrica.

2.2 Objetivos Específicos

O trabalho apresenta os seguintes objetivos específicos:

• Avaliação do comportamento da vazão mássica e da pressão absoluta em um conduto

de admissão de um motor de combustão interna em diversas condições de regime de rotação;

• Desenvolvimento de um ressonador de volume variável, mais favorável a dinâmica

requisitada pelo motor de combustão interna;

• Projeto e implantação de um sistema de controle eletrônico dinâmico para o

ressonador de volume variável;

• Avaliar a possibilidade de obtenção de correlações entre os dados obtidos em bancada

de fluxo e dinamômetro de bancada, referente ao comportamento transiente do escoamento

de ar em condutos de admissão de motores de combustão interna;

• Análise das curvas de desempenho do motor e pressão no sistema de admissão

relacionada aos efeitos da geometria e posicionamento de um ressonador em bancada de teste

e em dinamômetro;

• Analisar a influência e as freqüências de cada componente do sistema de admissão.

OBJETIVOS E RELEVÂNCIA

2.3 Relevância do trabalho

A relevância do trabalho está relacionada com a proposta de estudo da freqüência de

ressonância do sistema de admissão visando o aumento da eficiência volumétrica em motores

de combustão interna a partir da inserção de um ressonador de volume variável. O ressonador

tem a função de alterar a freqüência de ressonância do sistema de admissão. Um dos

principais pontos do trabalho refere-se à modificação da freqüência de ressonância do sistema

de admissão em condições dinâmicas de operação do motor, aumentando a eficiência

volumétrica em toda sua faixa de operação. Esse aumento de eficiência volumétrica é obtido

com a sintonia das respostas de freqüências dos sistemas fixos (condutos, filtro e coletor de

admissão) com os sistemas móveis (válvula, pistão, borboleta e ressonador). O trabalho

também é relevante no desenvolvimento de métodos e tecnologias aplicadas à maximização

do rendimento volumétrico em motores de combustão interna.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. Introdução

O sistema de admissão e a flexibilidade no movimento das válvulas interferem na dinâmica da

mistura admitida pelo cilindro, pois qualquer alteração em um ou mais mecanismos afetam o

desempenho do motor e a emissão de poluentes. A eficiência dos motores de combustão

interna depende largamente do aproveitamento dos fenômenos inerciais e transientes que

ocorrem nos sistemas de admissão e descarga. A função do sistema de admissão em motores

de combustão interna é a de conduzir o ar atmosférico até os cilindros, distribuindo

uniformemente o fluxo de massa de ar admitida entre eles. Uma das funções do sistema de

descarga é a de conduzir os gases gerados pela combustão para a atmosfera.

A maximização das condições de trabalho dos motores de combustão interna passa

necessariamente por uma análise das diversas variáveis envolvidas no processo. Os sistemas

de admissão e descarga possuem dimensionamento e configurações geométricas diferenciadas

de acordo com suas finalidades, onde pode ser privilegiado no projeto o consumo de

combustível, a potência ou, por exemplo, o rendimento volumétrico e o torque a baixas

rotações (Hanriot, 2001).

As análises dos sistemas de admissão podem ser realizadas nos componentes em conjunto ou

separados, considerando o filtro de ar, o coletor, câmaras intermediárias, condutos de ar e

válvula de admissão. Paffrath et al (1999) afirmam que as interações dentro do sistema

completo, relativo à dinâmica dos gases, acústica e outros aspectos, são consideradas na fase

de desenvolvimento.

Para a fase de desenvolvimento dos sistemas de admissão são levados em consideração

também outros sistemas do motor que influenciam na dinâmica da admissão, como o pistão e

as válvulas, que se movem periodicamente e atuam como fontes de excitação sobre o sistema

de admissão. Esta interação mútua afeta a condição de escoamento transiente gerada na porta

da válvula e, conseqüentemente, todo o processo de admissão do gás.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Em motores de produção com ignição por centelha e injeção eletrônica, a carga do motor é

controlada pela borboleta no conduto de admissão, onde o gás escoando nos condutos de

admissão pode ser considerado ar atmosférico, exceto numa pequena seção próxima à porta

da válvula, onde o combustível é injetado. Portanto pode-se dizer que além da admissão de ar,

os condutos possuem também as funções de maximizar o rendimento volumétrico dos

motores, minimizar perdas de pressão ao longo do escoamento do ar e distribuir

uniformemente o fluxo de massa de ar entre os cilindros. A última função impõe que o ar

atmosférico admitido deve escoar através de sistemas geométricos similares até atingir o

cilindro. É de se esperar, portanto, que a geometria do coletor de admissão seja projetada de

acordo com as características do motor. Isto significa dizer que o comprimento e o diâmetro

do coletor e, eventualmente, câmaras intermediárias, representam um papel fundamental no

correto projeto de tais sistemas, levando-se em conta os complexos efeitos de escoamento

pulsante com variações temporal e espacial (Hanriot, 2001).

Pode-se explorar a natureza transiente do fluxo em condutos de admissão em motores de

combustão interna para aumentar eficiência volumétrica (Pearson e Winterbone, 1990;

Paffrath et al, 1999; Pereira, 2004; Rodríguez, 2006). O ajuste ótimo da posição dos eixos de

comando de válvulas nas fases de admissão e descarga e coletores bem dimensionados são de

fundamental importância na resposta do motor e no seu desempenho.

Neste capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica, onde são relatadas as explicações dos

fenômenos físicos envolvidos, os trabalhos que apresentam o estado da arte sobre o assunto,

os conceitos de controle moderno e também os equipamentos para a realização dos

experimentos.

3.2. Dinâmica do escoamento nos condutos de admissão

O principal fenômeno a ser estudado é a inércia do gás em seu movimento transiente, onde o

ar no interior do conduto possui energia cinética. Este “conteúdo energético” de ar, se

oportunamente aproveitado, pode determinar uma compressão no interior do cilindro

exatamente no momento em que a válvula de admissão se fecha. É criada assim uma fonte de

“sobre-alimentação natural” devido à inércia do gás. O rendimento volumétrico

está

relacionado com a capacidade que o motor de quatro tempos possui em admitir ar

atmosférico, sendo um parâmetro de medida da eficiência nos processo de admissão do ar. É

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

definido como sendo a vazão mássica de ar no conduto de admissão pela taxa que o volume

de ar é deslocado pelo pistão (Heywood, 1988):

m 2

(3.1)

sendo:

: o volume deslocado pelo pistão (entre PMI e PMS) (m

);

N : rotação do motor (eixo da árvore de manivelas) (rev/s);

a massa específica do ar admitido na temperatura de referência (kg/m

);

: a vazão mássica através do conduto de admissão (kg/s).

Um outro fator importante na determinação dos efeitos inerciais em um motor é chamado de

“

fator de efeitos de inércia

”,

. É definido por:

(3.2)

sendo:

: a vazão mássica do sistema com o conduto de admissão;

: a vazão mássica sem o conduto de admissão.

O efeito de pulsação do gás foi analisado por diversos pesquisadores, Morse

et al

(1938)

foram dos primeiros a mostrar a influência dos efeitos da produção de pulsos de pressão nos

condutos de admissão ocasionados pelo movimento alternativo das válvulas de admissão.

Evidenciaram que o aproveitamento de tais flutuações de pressão pode ser usado para o

aumento do rendimento volumétrico dos motores. As grandes variações de volume no cilindro

devido ao movimento do pistão produzem perturbações que, durante a abertura e fechamento

das válvulas de admissão e descarga, se propagam como ondas de rarefação e compressão ao

longo do conduto.

Ocorrendo o movimento da válvula, cria-se uma compressão na camada de gás vizinha à

válvula, que fica com a pressão ligeiramente maior que a seguinte, expandindo-se contra a

mesma. A camada vizinha, então, ficará mais comprimida que a adjacente, comprimindo-a, e

assim por diante. Este processo de compressões e expansões sucessivas leva um tempo finito,

e, portanto, a resposta da aplicação de uma perturbação de pressão (onda de pressão) propaga-

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

se com uma velocidade finita denominada “velocidade de propagação da perturbação da

pressão”, igual a velocidade do som. Figura 3.1.

Velocidade da onda

Onda de expansão

Onda de compressão

Pressão (P)

Posição (x)

Posição (mm)

Pressão (bar)

Velocidade da onda

Onda de compressão

Onda de expansão

Velocidade da onda

Onda de expansão

Onda de compressão

Pressão (P)

Posição (x)

Posição (mm)

Pressão (bar)

Velocidade da onda

Onda de compressão

Onda de expansão

FIGURA 3.1 – Onda de pressão em função da posição

A resposta dinâmica do gás contido no conduto de admissão à excitação periódica produzida

pelo conjunto pistão-válvula e o correto aproveitamento desses fenômenos transientes foram

estudados por uma série de autores (Winterbone

et al

, 1989; Gindele

et al

, 1997; Ohata e

Ishida, 1982). A descrição física dos fenômenos transientes de pressão é bem explicada por

Benajes

et al

(1997). Segundo esse autor, os fenômenos oscilatórios de pressão podem ser

considerados supondo, inicialmente, que não ocorra a reflexão dos pulsos de pressão em

direção ao cilindro. Conceitualmente, um conduto reto infinito de admissão satisfaz esta

condição. Neste caso ideal, as perturbações de pressão dependem unicamente do movimento

do conjunto pistão-válvula.

Pearson e Winterbone (1990) avaliam a eficiência volumétrica de um motor de combustão

interna com diversas configurações do coletor de admissão. Técnicas de simulações são

descritas baseadas em equações lineares de conservação unidimensionais para parâmetros de

projeto. Comparações de medições experimentais e simulações numéricas são apresentadas

em função das curvas de eficiência volumétrica. Os resultados ilustram os benefícios a serem

obtidos com a variação da geometria do sistema de admissão.

O movimento do pistão da parte superior do cilindro (PMS) em direção a parte inferior do

cilindro (PMI) produz uma redução da pressão no interior do cilindro, em relação ao nível de

pressão no conduto de admissão. Esta perturbação de pressão propaga-se do cilindro pelo

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

sistema de admissão, em direção à atmosfera. Se esta evolução na perturbação da pressão

fosse monitorada, o resultado seria similar àquele mostrado na Figura 3.2 (Benajes

et al

1997).

FIGURA 3.2 - Pressão na admissão versus ângulo de movimento do pistão

No caso de um conduto de admissão com dimensões reais, o pulso de rarefação originado no

cilindro encontra algum ponto no conduto onde é refletido em direção ao cilindro. Este local

onde o pulso de pressão é refletido é de particular interesse para o projeto da geometria dos

condutos de admissão. Dentre outros pontos, as extremidades do conduto, junções e

eventualmente câmaras intermediárias são exemplos típicos de locais de reflexão da onda.

Nessas situações, a forma do pulso de pressão e seu desenvolvimento ao longo do conduto de

admissão são bem mais complexos que aquela apresentada na Figura 3.2. Observa-se que

pulsos de pressão refletidos são superpostos a pulsos de pressão incidentes (Hanriot, 2001).

Payri

et al

(1995) mostraram que a pressão no conduto pode ser decomposta em dois

componentes: o pulso primitivo e o refletido. Seguindo este modelo, a Figura 3.3 mostra o

esquema da evolução do pulso de pressão originado na porta da válvula em um caso simples

de um motor mono-cilindro com um tubo de admissão. O pulso de pressão original (onda de

rarefação) produzido pelo conjunto pistão-válvula e o pulso refletido estão presentes

simultaneamente na porta da válvula, e sua composição dá origem a um sobre-pulso de

pressão

(over-pressure pulse)

durante o fechamento da válvula de admissão.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.3 - Esquema de um pulso de pressão inicial e refletido

O pulso de rarefação original mostrado na Figura 3.3 é uma simplificação do pulso real, pois

se considera que sua duração é de 180

do ângulo do eixo de manivela, iniciando no PMS.

Uma suposição adicional, empregada por Benajes

et al.

(1997), é que a composição do pulso

de pressão é linear. Além disso, se a propagação do pulso é considerada sem atrito, o pulso

refletido mantém o perfil e amplitude originais. O sobre-pulso de pressão será refletido na

válvula e novamente se propaga em direção à atmosfera, onde sofre o mesmo processo.

A forma dos pulsos depende basicamente da posição de fechamento da válvula de admissão e

de sua reflexão, sendo sua amplitude reduzida em cada reflexão (Hanriot, 2001).

O tempo em

que cada pulso refletido retorna à porta da válvula é caracterizado por um ângulo de fase θ,

relacionado entre pontos análogos dos pulsos refletidos e os pulsos primitivos. O valor de θ

depende basicamente da velocidade de propagação do pulso, do comprimento do tubo e da

velocidade de rotação do motor. Em um motor mono-cilíndrico, o ajuste do conduto de

admissão se baseia na determinação de um valor de θ ótimo, em conjunto com uma amplitude

conveniente.

Em uma consideração mais simples, pode-se dizer que o ângulo de fase θ pode ser obtido

utilizando-se uma relação entre o intervalo de tempo que o pulso de pressão leva para

propagar-se da válvula até a entrada do conduto de admissão e retornar. O tempo gasto é dado

por:

(3.3)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

onde:

c : velocidade do som no ar (m/s);

L : distância que o pulso se propaga de uma fronteira à outra (comprimento do tubo de

admissão) (m);

t : tempo que o pulso gasta para propagar-se da porta da válvula à entrada do conduto e

retornar (s).

O deslocamento angular do pistão durante o mesmo intervalo de tempo é dado por (Heisler,

1995):

)2)(360(

(3.4)

onde:

N : rotação do motor (rev/min);

: deslocamento angular do pistão (graus).

Enquanto o gás possui uma velocidade em direção ao cilindro, a onda de rarefação produzida

se move em direção oposta ao sentido do escoamento do gás. Tal variação de pressão se

apresenta como uma oscilação de pressão de alguma região da massa gasosa. A velocidade

com que esta onda se move é a do som, que para o ar é da ordem de 340 m/s; muito superior,

portanto, à velocidade do gás no conduto, que pode atingir valores em torno de 90 m/s

(Heisler, 1995).

Logo, o gás se move a aproximadamente 90 m/s em direção ao cilindro, enquanto a onda de

rarefação se movimenta a 340 m/s, distanciando-se do cilindro. Quando chega à parte oposta

do conduto, a onda de rarefação (depressão) se torna uma onda de compressão (Hanriot,

2001); a perturbação se propaga agora em direção ao cilindro (sentido do escoamento do gás),

sob a forma de onda de compressão. Desta forma, uma porção do gás se aproxima do cilindro

na forma de sucessivas e rápidas ondas de pressão. Quando a válvula de admissão se abre,

cria-se uma onda que se propaga à velocidade do som no sentido oposto ao cilindro e

posteriormente em direção ao mesmo. Se o comprimento do conduto ou o regime de rotação

são tais que a onda de compressão chega exatamente quando a válvula se fecha, tem-se o

máximo rendimento volumétrico, como mostra na (Figura 3.4)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A onda gerada na abertura da válvula de admissão é chamada de pulso de pressão negativo

(onda de rarefação), enquanto que a onda refletida que viaja em direção à porta da válvula é

denominada onda de compressão. A diferença de pressão resultante entre o pulso gerado e o

refletido determina a pressão efetiva que se traduz em um aumento do rendimento

volumétrico do motor (Hanriot, 2001).

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0,05

0,1

0,15

0,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Tempo (ms)

Pressão (bar)

Válvula aberta Válvula fechada

FIGURA 3.4 - Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função do tempo

para uma rotação do eixo comando de válvulas de 200 rev/min (Pereira, 2004)

Pode-se concluir que o ajuste entre os vários componentes de um sistema de admissão traz

benefícios ao rendimento volumétrico dos motores, em particular quando pulsos de pressão

positivos (ondas de compressão) chegam na porta da válvula, no momento do fechamento da

válvula de admissão. Isto foi mostrado por Ohata e Ishida (1982), que modelaram os efeitos

da pressão na porta da entrada da válvula e sua influência no rendimento volumétrico

considerando e existência de pulsos de pressão no conduto de admissão.

Na situação em que a válvula se fecha na presença de depressão, a massa de ar que entra no

cilindro diminui, reduzindo o rendimento volumétrico (e como conseqüência os valores de

pressão média efetiva e torque). Deve-se observar que as pulsações estão presentes

continuamente, e em todos os regimes de rotação. Entretanto, somente em determinados

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

regimes de rotação a massa de ar que entra no cilindro é máxima (quando do fechamento da

válvula de admissão).

A Figura 3.5 mostra a variação da pressão na porta da válvula ao longo do tempo para duas

revoluções do eixo comando de válvulas, para um motor mono-cilindro com um conduto reto

de admissão de 2 metros de comprimento, com ângulo de permanência da válvula de

admissão de 102,5º, a uma velocidade de rotação do eixo de manivela de 800 rev/min

(Pereira, 2004). Pode ser observada a atenuação da propagação dos pulsos de pressão quando

a válvula de admissão encontra-se fechada. A atenuação está relacionada basicamente com o

comprimento do tubo, a rotação do eixo comando de válvulas, o diâmetro e o número de

Reynolds (Hanriot, 2001).

FIGURA 3.5 - Variação da pressão na porta da válvula de admissão em função do

ângulo do eixo comando de válvula para um ciclo do motor (Pereira, 2004)

Em projetos de condutos de admissão, a geometria e a escolha da área da seção que produza o

mínimo de perdas são de fundamental importância. Portanto, deve existir um compromisso

entre o diâmetro do conduto e a rotação do motor, como mostra na Figura 3.6, particularmente

sob rotações reduzidas, em que baixas velocidades de admissão podem causar uma mistura

pobre e altas velocidades podem reduzir o rendimento volumétrico do motor.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.6 – Influência da geometria e do diâmetro da seção reta do conduto de admissão

no rendimento volumétrico do motor (Heisler, 1995)

Heisler (1995), a partir de testes experimentais, afirma que o valor mínimo na velocidade de

admissão do ar gira em torno de 14 m/s e a máxima em torno de 75 m/s. Altas velocidades na

admissão podem causar uma diminuição da massa específica do ar admitido com conseqüente

diminuição do rendimento volumétrico.

Outro fenômeno que ocorre a partir da pressão produzida pelo choque da massa de ar contra a

superfície do pistão, depende do atraso no fechamento da válvula de admissão depois do PMI,

na fase de compressão. Este atraso tem por objetivo utilizar a inércia da mistura de ar fresco

movendo-se em direção à porta da válvula de admissão. Isto proporciona um tempo maior de

entrada do ar no interior do cilindro, aumentando a densidade de ar no interior do mesmo,

com um conseqüente aumento do rendimento volumétrico. O efeito causado por esse

fenômeno é conhecido como “

efeito RAM

”. A densidade do ar e a massa de ar no interior do

cilindro, podem aumentar a ponto de anular os efeitos negativos das perdas de pressão e levar

o rendimento volumétrico a valores elevados. É por esse motivo que se costuma chamar o

rendimento volumétrico de coeficiente de reenchimento. Entretanto, em baixas velocidades, o

movimento do pistão em sua fase de compressão em direção ao PMS pode empurrar a mistura

de ar e combustível de volta ao conduto de admissão, reduzindo consideravelmente o

rendimento volumétrico.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

As flutuações da energia cinética na coluna de massa de ar admitido na porta da válvula,

causada pela abertura e fechamento periódicos da válvula de admissão, podem ser

aproveitadas para melhorar o rendimento volumétrico dos motores pelo já comentado “efeito

RAM”. Um outro parâmetro geométrico que influencia no rendimento volumétrico é o

comprimento do conduto de admissão, como mostra a Figura 3.7.

FIGURA 3.7 – influência do comprimento do conduto de admissão no rendimento

volumétrico do motor (Heisler, 1995)

A Figura 3.8 ilustra o compromisso existente entre o comprimento do conduto e o rendimento

volumétrico obtido sob vários regimes de rotação de um motor de 6 cilindros com 3,5 litros.

Pode-se observar que para motores sem conduto de admissão, ocorre uma brusca diminuição

do rendimento volumétrico em função da rotação, enquanto nos motores com condutos de

admissão com comprimentos maiores tendem a apresentar um rendimento volumétrico mais

elevado (Heisler, 1995).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.8 – Rendimento volumétrico versus rotação do motor (Heisler, 1995)

A Figura 3.9 também apresenta um gráfico de rendimento volumétrico em função da rotação

para o sistema de admissão com vários comprimentos de conduto e sem o conduto, mostrando

que para cada rotação possui um comprimento de conduto ideal, sintonizando com a

freqüência dos demais componentes do sistema de admissão, estudo esse aplicado em um

motor

D Type da Jaguar

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.9 – Efeitos do comprimento do conduto na eficiência volumétrica

em um motor Jaguar

Nowakowski e Sobieszczanski (1999) adaptaram em um motor de 1400 cm

um sistema de

conduto de admissão variável, onde o comprimento do conduto poderia variar de 220 a 1060

mm, onde foram realizados experimentos em dinamômetro e um estudo de modelos físicos e

matemáticos para maximização do enchimento do cilindro.

A Figura 3.10 mostra o motor de combustão interna de dois cilindros com configuração

horizontal, com coletor de admissão adaptado por Nowakowski e Sobieszczanski, 1999. A

análise da variação do torque máximo em função do comprimento do conduto de admissão

avaliado foi apresentada na Figura 3.11.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.10 – Motor dois cilindros, horizontal, quatro tempos com coletor de admissão

adaptado (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)

Comprimento do conduto (mm)

Torque (Nm)

Comprimento do conduto (mm)

Torque (Nm)

FIGURA 3.11 – Curva de torque em função dos comprimentos do conduto de admissão

(Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)

A Figura 3.12 mostra as curvas de desempenho obtidas para os vários comprimentos

apresentados na Figura 3.10, as curvas de potência e torque para os comprimentos de

220 mm, 340 mm, 480 mm, 570 mm, 800 mm e 1060 mm são apresentadas, no experimento

ainda foram monitoradas a rotação, o torque do dinamômetro, a temperatura e pressão no

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

coletor, a temperatura do sistema de arrefecimento, a lubrificação e a concentração de CO nos

gases de combustão.

Rotação do motor (rev/min)

Potência (kW)

Torque (Nm)

Conduto

Rotação do motor (rev/min)

Potência (kW)

Torque (Nm)

Conduto

FIGURA 3.12 – Curvas de torque (N

) e potência (M

) do motor adaptado para o diversos

comprimentos do conduto de admissão (Nowakowski e Sobieszczanski, 1999)

Um parâmetro importante que está intimamente ligado ao comprimento do tubo de admissão é

denominado parâmetro de freqüência

, definido como sendo a razão entre a freqüência do

tubo de admissão (freqüência natural do tubo quando a válvula de admissão está fechada) e a

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

freqüência da válvula (metade da freqüência de rotação do eixo de manivelas). Desta forma

tem-se:

válvula

sistema

(3.5)

Morse (1938) mostra que quando ocorre a ressonância do tubo no terceiro, quarto e quinto

harmônicos da freqüência da válvula, isto é, quando q = 3, 4 e 5, há um aumento da pressão

média efetiva e, conseqüentemente, da eficiência volumétrica. Este parâmetro é importante na

medida em que fornece uma relação de maximização do projeto de motores, uma vez que

motores que apresentam valores mais elevados de pressão média efetiva conseguem uma

potência motriz mais elevada que similares que apresentem um valor de pressão média efetiva

reduzida.

Benajes (1997) mostra um modelo para o sistema de admissão, quatro tubos primários, uma

câmara intermediária e um tubo secundário. O sistema para esta configuração pode ser

reduzido a uma equação, dada por:

cot

tan4

−=

(3.6)

onde:

: freqüência angular (rad/s);

c : velocidade de som (m/s);

: comprimento primário (m);

: comprimento secundário (m);

: área de seção transversal do tubo primário (m

);

: área de seção transversal do tubo secundário (m

);

: volume da câmara intermediária entre tubos primários e secundários (m

A solução de freqüência angular desta equação não é explícita e pode ser obtida por um

cálculo iterativo que introduz os valores das dimensões do sistema. O valor numérico de w

representa a freqüência natural do sistema. Hanriot e Batista, 2007, utilizam-se desta análise

para o cálculo da freqüência natural de um sistema com dois dutos e uma junção. Uma

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

interpretação semelhante foi determinada por Ohata e Ishita (1982). No caso mais geral de um

sistema de admissão com Z

tubos primários e Z

tubos secundários, a equação é dada por:

cot

tan

Z −=

(3.7)

onde:

: número de tubos primários (antes da junção);

: número de tubos secundários (depois da junção).

Outro fator importante para avaliação do escoamento é a energia cinética do fluido no

conduto, que está relacionada às variáveis geométricas e de funcionamento. A energia cinética

da massa de ar que entra no cilindro está relacionada com o comprimento e seção transversal

do conduto de admissão conforme a seguinte proporcionalidade (Bocchi, 1988):

(3.8)

onde:

: energia cinética do ar no conduto (N.m);

: comprimento do conduto (m);

: diâmetro do conduto (m).

O efeito RAM é, portanto, proporcional ao comprimento do conduto e inversamente

proporcional à área da seção transversal. Logo, se o objetivo é conseguir um forte efeito

inercial, deve-se produzir um conduto longo e de seção reduzida (deve-se, entretanto,

observar que condutos longos levam a perdas de pressão maiores que podem prevalecer sobre

os efeitos inerciais).

Uma alternativa para sintonizar a frequência do sistema de admissão com a frequência do

motor é com a adoção de conduto de admissão variável. A Figura 3.13 apresenta um gráfico

comparativo entre um conduto longo e um conduto curto, sendo apresentado em função da

rotação do motor e a eficiência volumétrica do sistema. O sistema de admissão variável

também é empregado para impulsionar os pontos de baixo torque e proporcionar uma melhora

no consumo de combustível ou na potência em altas velocidades (Paffrath

et al

, 1999).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.13 – Influência do comprimento do coletor na eficiência volumétrica

(Paffrath

et al

, 1999)

Um conduto de admissão fixo tem sua geometria otimizada para um melhor desempenho do

motor, não privilegiando a potência em altas velocidades nem o torque em baixas velocidades.

O conduto de admissão variável introduz dois ou mais estágios para tratar das diferentes

rotações do motor, Paffrath

et al

(1999) apresentou um modelo de admissão variável,

mostrado na Figura 3.14.

FIGURA 3.14 – Modelo de um sistema de admissão com comprimento variável

(Paffrath

et al

, 1999)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Pearson

et al

(1990), Pereira e

t al

(2003) e Moraes

et al

(2004) analisaram os efeitos da

localização da junção em condutos de admissão, que afetam a quantidade de massa de ar

admitida em função da rotação do eixo comando de válvulas, onde apresentam uma condição

ótima em função do comprimento e diâmetro dos dutos de admissão, dos efeitos de

amortecimento das ondas de pressão e da localização das junções. Cruz

et al

(2005) também

estudaram o mesmo fenômeno por meio de uma bancada experimental para simulação de

coletores de admissão. Paffrath

et al

(1999) avaliaram a posição da borboleta com relação às

junções dos dutos do cilindro ao plenum, sendo considerado plenum sempre onde houver um

volume tal que altere a dinâmica do escoamento em um duto, atenuando os pulsos de pressão

gerados pelas válvulas. A Figura 3.15 apresenta um comparativo da eficiência volumétrica em

sistemas de admissão de acordo com a posição da borboleta.

FIGURA 3.15 – Influência do ponto de inserção da borboleta na eficiência volumétrica em

novas tecnologias de sistemas de admissão (Paffrath

et al

, 1999)

Outro fator importante para a dinâmica do conduto de admissão é a avaliação das quedas de

pressão desde a entrada do fluxo de ar até o interior do cilindro. Alguns estudos avaliam esta

influência no escoamento. Blair

et al

(1995) descreveram experimentalmente modelos

matemáticos da propagação da onda da pressão no conduto de admissão de um motor. Um

aspecto interessante foram os coeficientes de descarga para as várias condições testadas. O

autor apresenta os resultados experimentais para os coeficientes de descarga para diversas

geometrias da extremidade do duto tais como orifícios, extremidades lisas, “bellmouth” (boca

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

de sino) e a porta da válvula de exaustão de um cilindro do motor de dois tempos. Demonstra

que a equação de escoamento compressível através de uma restrição pode ser usada somente

como um comparador para estas geometrias, mas conduz em erros se usado dentro de uma

simulação computacional. O autor compara os valores dos coeficientes de descarga

determinados pela equação e os experimentais. Blair e Drauin, 1996, explicam que o erro

indicado em simulações computacionais são devidos aos efeios de pressão dinâmica no

momento de abertura e fechamento das válvulas, pois o coeficiente de descarga utilizado na

simulação é levantado apenas em função da elevação da válvula.

Fleck e Cartwright (1996) definem o coeficiente de descarga para um sistema de admissão.

Em motores de combustão interna, o gás foi considerado como um gás ideal. Os coeficientes

de descarga foram utilizados para monitorar a eficiência do fluxo através dos vários

componentes de motor e são úteis para melhorar o desempenho destes componentes. Para

modelar o fluxo de ar que atravessa os motores é importante ter os valores para coeficientes

de descarga com as combinações das válvulas, da porta das válvulas e dos condutos.

Uma alternativa para a redução das perdas de carga no conduto foi apresentada por Ashhab

(1998), onde o trabalho avaliou melhorias significativas em eficiência do sistema de

admissão, torque e redução de emissões por meio do controle contínuo das válvulas para

controle de carga. A Figura 3.16 mostra uma minimização das perdas de bombeamento com o

sistema de admissão sem borboleta. São apresentadas na mesma figura o levante em função

do ângulo do eixo comando e o fechamento antecipado da válvula de admissão.

Um modelo foi desenvolvido para uma operação sem borboleta, fundamental para o ganho de

eficiência. Um controlador não linear adaptável foi projetado para coordenar a elevação, o

momento e a duração da abertura das válvulas. A demanda de torque do motorista é satisfeita

e são minimizadas perdas de bombeando (Figura 3.16). Este sistema foi estudado também por

Sher e Bar-kohanany, 2002 e Schirm, 2003.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Pressão no cilindro (Pa)

Volume do cilindro (m

)

Pressão no cilindro (Pa)

Volume do cilindro (m

)

FIGURA 3.16 - Diagrama P versus V dentro do cilindro demonstra uma minimização das

perdas de bombeando com o sistema de admissão sem borboleta (Ashhab

et al,

1998)

3.3. Dinâmica dos ressonadores

O Ressonador de Helmholtz (Figura 3.17a) é constituído basicamente de um volume “V” e

uma abertura de área de seção transversal “S” e comprimento l. Esta abertura, também

chamada de pescoço, deve ser ligada ao elemento de onde se quer produzir os efeitos de

ressonância. Observa-se que, para certas freqüências, que dependem basicamente do volume

“V” da cavidade, do comprimento l do pescoço e da área da seção reta “S”, a pressão acústica

no interior da cavidade (P

) é muito maior que a pressão incidente (P

). Este fenômeno é

conhecido como ressonância.

O modelo físico básico do ressonador inclui uma mola (a cavidade ressonante), um fluxo de

massa (o fluxo de massa de ar no pescoço mais o fluxo de massa de ar adjacente ao mesmo) e

um amortecedor, correspondendo aos três termos da impedância.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

(a) (b)

FIGURA 3.17 – Ressonador de Helmholtz

Uma analogia do ressonador de Helmholtz com o circuito elétrico é apresentada na Figura

3.17b, onde C (capacitância) representa o volume do ressonador, R (resistência) representa a

área da seção transversal do pescoço e L (indutância) representa o comprimento do pescoço.

Porges (1977) e Kinsler (1980) mostram que experimentalmente é usado um comprimento

efetivo equivalente l

. Este comprimento efetivo equivalente é utilizado para o cálculo da

freqüência do ressonador, sendo maior que o comprimento do pescoço l, que simula os efeitos

de atrito. Considerando “d” o diâmetro do pescoço, os resultados experimentais mostram que

o valor a ser adicionado está compreendido entre uma faixa de 0,6 a 0,85 d, ou seja, 0,6 d <

leq < 0,85 d. Desta forma tem-se:

2/1













(3.9)

Panton (1975) sugere que a freqüência de ressonância para um ressonador de Helmholtz

cilíndrico seja dada pela equação:

2/1













SlVl

(3.10)

onde:

f: freqüência de ressonância (Hz);

eq:

comprimento equivalente do pescoço (m);

l: comprimento do volume do ressonador (m);

S: área do pescoço (m

);

C: velocidade do som (m/s).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O comprimento equivalente do pescoço é considerado como sendo:

ill

∆+∆+= 0 (3.11)

onde:

l: comprimento do pescoço (m);

∆

: fator de correção dado por 8c/6π;

∆

: fator de correção dado por:

0,4

para 24,11













−=∆

(3.12)

onde:

: raio do ressonador cilíndrico (m);

: raio do pescoço (m).

Na dedução da freqüência de ressonância do ressonador de Helmholtz, equação (3.9),

nenhuma restrição é feita quanto a forma do ressonador. Para uma dada abertura do pescoço, é

o volume do ressonador, e não sua forma, a variável importante. Sendo as dimensões da

cavidade consideravelmente menores que o comprimento de onda da perturbação produzida e

a abertura não tão grande, tem-se que a freqüência de ressonância para a mesma razão S/l*V,

produz a mesma freqüência de ressonância, mesmo para formas diferentes do ressonador

(Kinsler, 1980). Panton e Miller (1975) também já haviam feito um equacionamento da

freqüência de ressonância para um ressonador de Helmholtz cilíndrico.

Uma curva de rendimento volumétrico em função da rotação do motor é mostrada na Figura

3.18. Nota-se que um conduto de admissão convencional possui um rendimento volumétrico

menor que no caso de um conduto ajustado com um ressonador de Helmholtz, em baixas

velocidades de rotação, Heywood (1998).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.18 - Rendimento Volumétrico versus Rotação do Motor (Heywood, 1998)

A utilização de ressonadores é explorada visando uma diminuição do nível de ruído e o

aproveitamento dos fenômenos transientes para a otimização do rendimento volumétrico nos

motores de combustão interna alternativos.

Brads (1979), Monkewitz e Nguyen (1985), Nishio at al (1991) realizaram uma série de

estudos envolvendo tanto a redução do nível de ruído quanto à indução de uma maior

quantidade de fluxo de massa de ar.

Observa-se, entretanto, que o ressonador de Helmholtz possui freqüências de ressonância

adicionais que são diferentes da fundamental, sendo a freqüência uma grandeza física

associada a movimentos ondulatórios que dependem da fonte excitante e da geometria do

meio e da freqüência fundamental (ou primeiro harmônico) sendo a mais baixa desse sistema.

A origem dessas altas freqüências é diferente da fundamental, pelo fato de resultarem das

ondas estacionárias na cavidade, ao invés do movimento oscilatório do fluxo de massa de

fluido no pescoço do ressonador. Em geral, a amplitude da freqüência do segundo harmônico

é muito maior que a freqüência fundamental, por tanto caracterizando o primeiro sobre tom,

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

sendo um componente senoidal de uma forma de onda com freqüência maior do que sua

freqüência fundamental.

Os ressonadores de Helmholtz estão sendo utilizados na indústria automotiva na sua maioria

para a diminuição do nível de ruído sonoro nos condutos de admissão. Alguns estudos

avaliam o ajuste para a realização de uma sintonia entre a freqüência do ressonador e a do

motor, visando à obtenção da melhoria no rendimento volumétrico dos motores. Uma série de

estudos foi realizada envolvendo tanto a redução do nível de ruído quanto à indução de uma

maior quantidade de fluxo de massa de ar.

O ponto de inserção do ressonador de Helmholtz no sistema de admissão afeta tanto a redução

do ruído quanto a entrada de fluxo de massa de ar no cilindro. Kostun (1994) mostra que o

efeito da localização do ressonador no sistema de admissão é um dos fatores importantes para

a redução do nível de ruído. A localização é determinada tendo como base pontos antinodais

dos modos de pressão, onde são os pontos do sistema com maiores níveis da amplitude da

pressão. A atenuação máxima é obtida no ponto antinodal de pressão, enquanto uma

atenuação mínima é obtida em um ponto nodal, nó entre as senoidais das ondas de pressão.

Selamet (1995) investigou os efeitos das dimensões específicas da cavidade, sendo realizado

primeiramente um estudo analítico de um ressonador circular concêntrico levando-se em

conta a propagação bidimensional da onda.

Doria (2000) considerou um ressonador com volumes e pescoço variados, onde o

comprimento não é significativamente menor que o comprimento de onda sonora. O

movimento axial do fluido dentro do ressonador e o movimento não uniforme do fluido ao

longo do pescoço foram levados em consideração por meio de funções de forma lineares ou

quadráticas. O modelo matemático foi desenvolvido de acordo com a aproximação de

Lagrange e as coordenadas generalizadas representam os deslocamentos do fluido em várias

seções do pescoço e do ressonador.

Selamet at al (2001) realizaram experimentos em um dinamômetro de bancada com um motor

Ford V6 3.0 litros e um protótipo de coletor de admissão (Figura 3.19) com um silenciador de

volume fixo (ressonador de Helmholtz). Os experimentos foram realizados com e sem o

silenciador em um tubo no conduto de admissão, onde foi mantido o comprimento global do

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

sistema de admissão. Dados de pressão foram coletados ao longo do conduto para várias

velocidades dentro da faixa de operação de 1000 a 5000 rev/min, como mostra a Figura 3.19.

FIGURA 3.19 - Protótipo do conduto de admissão com o ressonador (Selamet et al, 2001)

As características de atenuação das ondas de pressão foram avaliadas com a presença do

ressonador de Helmholtz. Nas Figuras 3.20 e 3.21 são apresentadas as ondas de pressão em

função do ângulo do virabrequim para as posições 91 antes do ressonador, 92 após o

ressonador, 93 no ponto de inserção do ressonador, 72 no ponto intermediário do pleno e as

posições 81 e 86 na porta da válvula de admissão enumeradas no protótipo apresentado na

Figura 3.19.

As Figuras 3.20 e 3.21 apresentam os gráficos com diferença da forma de onda de pressão

com e sem a presença do ressonador em testes realizados em dinamômetro de bancada. Os

resultados do trabalho são apresentados no domínio do tempo e da freqüência. O estudo

apresenta um modelo fluidodinâmico não linear no domínio do tempo para a predição de

potência acústica e desempenho do motor de combustão interna. Nas Figuras, a linha contínua

representa apenas o conduto sem ressonador e a linha pontilhada o conduto com ressonador

(Selamet et al, 2001)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.20 – Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação do motor de

1780 rev/min, (a) posição 92, (b) posição 93 e (c) posição 91 (Selamet et al, 2001)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.21 - Pressão em função do ângulo do virabrequim para uma rotação do motor de

1780 rev/min, (a) posição 81, (b) posição 86 e (c) posição 72 (Selamet et al, 2001)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Hanriot et al (2002) estudaram a resposta do sistema de admissão às várias posições da caixa

ressonante no conduto de admissão. Foi levantada numericamente a resposta dinâmica das

pressões e da vazão mássica na porta da válvula de aspiração e em vários pontos do conduto

de admissão. O estudo analisou o comportamento da vazão mássica e da pressão no sistema

de admissão. O trabalho apresentou resultados para diversas velocidades de rotação do eixo

virabrequim.

Zoccola (2004) avalia uma cavidade ao longo da superfície do fluido que resulta em

flutuações de pressão de alta amplitude dentro da cavidade. O fenômeno em análise foi

monitorado por meio da formação e desprendimento de vórtices periódicos no escoamento

junto a uma freqüência de ressonância da cavidade. Estas flutuações freqüentemente são

suprimidas na prática, instalando uma tela na entrada da cavidade. Análises de resultados de

diversos testes foram observadas sem e com várias malhas. Este estudo foi um esforço

experimental para entender as circunstâncias em que a cavidade excitou o escoamento. Foram

feitas medidas de pressão no interior da cavidade e na vizinhança e avaliadas as diversas

configurações. Também foram feitas medidas do campo de velocidade do fluxo na cavidade.

Foi visto que é alterada a freqüência de excitação e a amplitude da resposta, dependendo da

configuração da malha.

Oshkai et al (2005) estudaram de forma experimental e numérica sobre os efeitos geométricos

do ressonador. Foram avaliadas as interações fluido-acústicas devido ao fluxo em uma

cavidade montada em um tubo com escoamento de ar, sendo analisados pela técnica de

imagem de alta densidade, que acompanha a velocidade das partículas, e pela pressão ao

longo do conduto e da cavidade. Estas imagens definem os padrões de velocidade, os vórtices

e a topologia do escoamento. São caracterizadas também as linhas de corrente de fluxo, as

instabilidades ao longo do fluxo e a potência acústica. Além disso, a combinação da imagem e

medidas de pressão permite determinar os padrões de fluxo instantâneos que são associados

no tempo e na freqüência. Flutuações bem definidas são apresentadas com coerência nos

casos selecionados

No trabalho de Rodríguez (2006) descreve uma metodologia de análise experimental do

processo de admissão de ar em motores de combustão interna com o objetivo de determinar as

condições em que a massa de ar admitida pode ser influenciada por uma cavidade acústica

(ressonador). A metodologia proposta permite analisar os principais parâmetros que

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

modificam a propagação da onda de pressão no coletor, tais como geometria de coletores,

volume instantâneo do cilindro, rotação do motor e utilização de dispositivos ressonadores.

Um fator importante de parametrização utilizado neste trabalho foi a correlação de pressão

média com as curvas de eficiência volumétrica ao longo da faixa de operação do motor. Este

trabalho conclui que é necessário obter dados experimentais sobre os modelos de ressonador

analisados no projeto, que permitam avaliar melhor os efeitos transientes de pressão gerados

pelo movimento alternativo das válvulas e pistões. Um banco de dados experimentais

referentes a este tipo de fenômeno é de grande valia no desenvolvimento de motores de

combustão interna.

Outras formas de pesquisa avaliadas, são as patentes referentes a ressonadores de volume

variável, onde as patentes US 7.055.484 B2 título “Multiple Frequency Helmholtz Resonator”

e US 4.546.733 título “Resonator for Internal Combustion Engines” apresentam novos

conceitos e tecnologias.

A patente “Multiple Frequency Helmholtz Resonator” apresenta um ressonador sintonizável

acoplado ao controle de velocidade do motor, sendo definido para diferentes faixas de

freqüência de acordo com a faixa de rotação do motor (motores diesel). A faixa de freqüência

é modificada pela abertura e fechamento do pescoço e/ou modificando o volume do

ressonador (dois volumes efetivos). A invenção presente modifica também o volume ou a área

do pescoço do ressonador de Helmholtz para modificar a faixa de freqüência pela qual o

ressonador é responsável. A resposta da freqüência pode ser modificada pela modificação do

volume (baixa ou alta freqüência), modificação do tamanho do pescoço (pequena ou longa

freqüência), ou pela modificação do diâmetro ou cruzamento total da seção do(s) pescoço(s)

(pequena área = baixa freqüência). Mudanças podem ser feitas em combinação, e o pescoço,

pode ser de vários pescoços em paralelo. Esta patente também tem como objeto da invenção

de eliminar a necessidade de ressonadores para cada freqüência de interesse, em altas e baixas

freqüências de operações.

Já a patente “Resonator for Internal Combustion Engines “ apresenta um ressonador aplicado

em motores de combustão interna, mais especificamente, um ressonador com uma

determinada pluralidade das freqüências de ressonância. A invenção consiste em um

ressonador para melhorar as características de redução de ruído dos motores de combustão

interna, tendo a pluralidade de membros de conexão tubular para modificar a freqüência de

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

ressonância nos motores de combustão interna pela modificação das conexões dos membros

tubulares dos dutos, onde os comprimentos são diferenciados para o controle de cada

freqüência ressonante, as passagens de ar transversal das áreas de seção são diferentes para

cada controle da freqüência ressonante, mudanças dos números de membros das conexões

tubulares disponíveis, interrompendo a abertura e fechamento dos membros das conexões

tubulares pela alteração das freqüências de ressonantes. A patente relata os componentes

tubulares, os interruptores de válvulas rotativas e as personificações, comparando a

velocidade rotativa do motor e os níveis de ruído.

3.4. Dinâmica do escoamento através do acionamento das válvulas

No sistema convencional as válvulas estão ligadas a um eixo comando que as movimenta de

maneira contínua e regular (Dresner et al. 1989). Vários estudos realizados para melhorar o

rendimento volumétrico dos motores envolvem um comando de válvulas variável. O sistema

variable valve timing ou tempo de comando variável é um dispositivo que permite uma

variação na abertura, no fechamento e no ritmo de funcionamento das válvulas de admissão e

exaustão. O resultado é um melhor aproveitamento da potência, o sistema de comando

variável reduz o consumo de combustível nas baixas rotações e as emissões de poluentes do

motor. (Nagumo e Hara, 1995).

O modelamento dos efeitos da pressão na porta da entrada da válvula de admissão foi

realizado por Ohata et al, 1982 e ilustrado na Figura 3.22. A eficiência volumétrica é

calculada a partir de simulações utilizando pulsos retangulares, com uma largura de 20° e

intensidade de 13,3 kPa. Variando a fase do pulso, um aumento da eficiência volumétrica foi

observado quando o pistão está próximo a PMI. Pode ser observado que quando o pulso de

pressão ocorre com a válvula de admissão fechada, 30° após o ponto morto inferior (PMI), há

um ganho significativo da eficiência volumétrica.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.22 - Efeito do Ajuste dos Pulsos de Pressão (Ohata et al, 1982)

Pires at al (2003) realizaram uma analise numérica e experimental da defasagem angular das

válvulas de admissão em motores de combustão interna com duas válvulas de admissão por

cilindro. O estudo visa analisar os efeitos da defasagem da abertura de uma das válvulas de

admissão em relação à outra no escoamento do ar para vários regimes de rotação do eixo

comando de válvulas. A metodologia numérica se baseia em um modelo analítico

unidimensional, a partir de uma manipulação analítica das equações do modelo de

escoamento, denominado método das características e é validada por meio de uma

modelagem experimental.

3.5. Ondas Acústicas e suas Características

Ondas acústicas podem ser entendidas como sendo perturbações de pressão que se propagam

através de um fluido compressível. Ondas acústicas em fluidos invíscidos são ondas

longitudinais, as moléculas se movem para frente e para trás na direção da propagação da

onda, produzindo regiões adjacentes de compressão e rarefação. A força restauradora

responsável pela propagação tem sua origem na variação da pressão que ocorre quando o

fluido é comprimido ou expandido.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Kinsler (1980) afirma que ondas planas são aquelas cujas variáveis (deslocamento, densidade,

pressão) são funções apenas de uma coordenada espacial, possuindo amplitude constante ao

longo de qualquer plano perpendicular à propagação da onda. Ondas planas são produzidas

quando um fluido é confinado em um tubo rígido sob a ação de um pistão com freqüência de

vibração baixa, localizado em uma das extremidades do tubo.

Considerando que o sistema se assemelha ao de um tubo fechado em x = L, sendo L igual

distância que o pulso viaja de uma fronteira à outra (comprimento do tubo de admissão) e x

uma coordenada ao longo do comprimento L, a condição de ressonância é obtida pela

equação:

−

= (3.13)

As freqüências de ressonância são os harmônicos ímpares da freqüência fundamental, sendo c

a velocidade do som no ar (m/s) e n os harmônicos. O tubo possui um anti-nó em x = L e um

nó de pressão em x = 0. Considerando agora que em x = L o tubo está aberto, a fronteira

aberta para a atmosfera está também relacionada com uma impedância, pois a pressão neste

ponto não possui um valor igual a zero. A solução da equação leva à seguinte expressão para

as freqüências de ressonância:

(3.14)

No caso de tubo aberto flangeado, a parcela L+ (8d/3π) da Equação 3.14 pode ser entendida

como sendo um comprimento equivalente (Leq). Kinsler (1980) afirma que esta correção no

final do tubo está em consonância com valores experimentais em torno de 0,82d. Para tubos

sem flange, os experimentos mostram que Leq = L + 0,6d (Kinsler, 1980). A indução de

fluxo de massa de ar adicional através da utilização do efeito RAM, com um conseqüente

aumento no rendimento volumétrico do motor, não é tão pronunciada para baixas velocidades

de rotação do motor. Uma alternativa para tais faixas de rotação (baixa freqüência) é o

emprego dos ressonadores de Helmholtz.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Chen e Liu (2000) apresentaram um estudo para a compreensão física da onda acústica com

um controle ativo na fonte primária em um tubo com ressonador. As derivações de alguns

campos acústicos envolveram a medida da impedância da fonte, em uma situação de controle

ativo ou inativo usando um ressonador de Helmholtz. A comparação entre os dois resultados

obtidos são avaliados neste estudo, onde a potência acústica obtida pelos dois métodos é

validada. Paffrath et al (1999) apresenta um exemplo da variação da potência acústica com a

alteração do posicionamento do corpo de borboleta sobre o plenum que faz a junção dos

condutos dos cilindros. A Figura 3.23 mostra o efeito da simetria do conduto nos pulsos de

pressão.

FIGURA 3.23 - Efeito da simetria do conduto nos Pulsos de Pressão (Paffrath et al, 1999)

Em condutos de escapamento, onde a variação da rotação do motor de combustão interna está

relacionada à freqüência do ruído, Pinto e Pacheco (2006) utilizaram da dinâmica de um

ressonador de Helmholtz, como mostrado na Figura 3.24, para o projeto e implementação de

um sistema de controle de ruído semi-ativo para tubos, baseado em ressonadores de volume

variável. A Figura 3.25 apresenta um resultado experimental de ruído para os casos sem o

ressonador, com o ressonador com volume para resposta em 160 Hz e para o sistema do

ressonador semi ativo.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.24 – Ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006)

FIGURA 3.25 – Resposta do ressonador de volume variável instalado no conduto

(Pinto e Pacheco, 2006)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Hémon et al (2004) realizaram um estudo experimental e teórico das oscilações de pressão

gerado pelo fluxo ao longo de uma cavidade funda (ressonador). Tal configuração é

semelhante a um ressonador de Helmholtz. O modelo de ressonador linear é validado através

de experimento realizado com a configuração apresentada na Figura 3.26, onde U

é a

velocidade de corrente livre superior da camada (m/s), P

pressão acústica na entrada do

pescoço (Pa), P

é pressão acústica na cavidade (Pa), L é comprimento do pescoço (m), L

comprimento da cavidade (m), H

a altura do pescoço (m) e H

a altura da cavidade (m).

FIGURA 3.26 – Parâmetros geométricos da seção avaliada por Hemón et al, 2004

São apresentadas as características de estabilidade linear das camadas ao longo da cavidade e

do pescoço, onde foram medidas as pressões de estagnação. Uma atenuação completa da

pressão de pico pode ser alcançada, minimizando a potência acústica. A análise de

estabilidade linear das camadas é observada nos experimentos, identificando as atenuações de

amplitude de freqüências, fenômeno físico responsável pela redução acústica.

A patente US 3.254.484 título “Acoustical Resonance Apparatus for Increasing the Power

Output of an Internal Combustion Engine”, apresenta o aparato acústico para melhorar a

potência de saída e a eficiência da aspiração natural dos motores de combustão interna pela

manipulação acústica dos efeitos normais ocorridos nas colunas de gás de escape e de

admissão de tais motores. A invenção avalia as ondas de pressão no conduto de admissão e

sistema de escape dos motores de combustão interna, os efeitos acústicos pela variação do

comprimento do sistema de admissão e escape do motor, ao longo da sua faixa de operação.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para alcançar o objetivo de ressonância acústica, vários aparelhos de pressão e sintonização

dos tubos têm sido utilizados para comprimir a carga, e aparelhos de refrigeração foram

utilizados para aumentar a densidade da carga para atingir o mesmo fim. Esta patente

descreve a metodologia e os conceitos para atuar no sistema de aspiração e descarga, fazendo

intervenções sobre os componentes para uma alteração acústica.

3.6 Teoria de controle eletrônico

3.6.1 Introdução

Atualmente, estão sendo estudadas em conjunto com o Departamento de Engenharia

Eletrônica da Universidade Federal de Minas Gerais diversas propostas para controle de

motores de combustão interna e outros sistemas de controle para melhoria de desempenho de

componentes mecânicos, trabalho este que faz parte do grupo de Análise e Modelamento de

Sistemas e Equipamentos Térmicos do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG.

A teoria básica para construção e uso do controle eletrônico, os princípios do motor de

corrente contínua e modelagem de cargas são apresentados. Também são apresentados alguns

conceitos sobre os conversores cc-cc de ponte completa (ponte H), modulação por largura de

pulso (PWM-Pulse Width Module), uma visão geral do controlador DSP e a teoria base para

implementação de filtros ativos.

3.6.2 Motor de corrente contínua

O modo de operação do motor cc é com controle de tensão de armadura. A Figura 3.27 mostra

o desenho esquemático do circuito que representa o motor cc nesse modo de operação

(Oliveira, 1980).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.27 - Circuito equivalente da máquina cc

onde:

: tensão de armadura (V);

ia :

corrente de armadura (A);

resistência de armadura (Ω);

indutância de armadura (H);

força contra-eletromotriz (V);

ω : velocidade angular (rad/m

);

J :

momento de inércia (kg.m

);

coeficiente de atrito viscoso (N.m/rad);

conjugado (torque) de carga (N.m);

conjugado (torque) motor (N.m).

Considerando ainda que

é a constante que determina a relação entre a força contra-

eletromotriz e a velocidade de rotação (

) e que

é a constante que determina a

relação entre a corrente de armadura e o conjugado (torque) motor (

), têm-se as

equações elétrica e mecânica, dadas respectivamente por (Oliveira, 1980).

aaaa

LiRv ++=

(3.16)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Jbmm

++=

(3.17)

onde todas as variáveis já foram definidas na Figura 3.27.

Estas equações são válidas apenas para o fluxo magnético constante. A função de

transferência do motor cc no domínio da freqüência é obtida a partir das equações 3.16 e 3.17

do domínio do tempo, por Oliveira, 1980, e fica:

vaaaaa

KsILIRV ++=

(3.18)

sJbmIK

LaT

ωω

++=

(3.19)

Considerando, que

, ω

dθ

/ dt

e que a constante de tempo elétrica do sistema é

muito mais rápida que a constante mecânica, e ainda substituindo-se a corrente de armadura

segundo 3.19 em 3.18, tem-se que o sistema pode ser escrito pela equação 3.20, que

representa a função de transferência do sistema da posição sobre a tensão de armadura (Dorf e

Bishop, 2001).

( )

(3.20)

(

)

(

)

aam

KbRJReKbRKKOnde

//, +=+=

3.6.3 Inércia efetiva e amortecimento efetivo

Dois conceitos interessantes a serem aplicados a um sistema em que estão presentes um motor

ligado à um conjunto de engrenagens, são os conceitos de inércia efetiva e amortecimento

efetivo (Graig, 2005).

A Figura 3.28 mostra o modelo mecânico do conjunto de um motor cc conectado a uma carga

inercial via conjunto de engrenagens.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.28 - Modelo mecânico do conjugado de um motor cc conectado

a uma carga inercial via um conjunto de engrenagens

Pela figura 3.28, pode-se dizer que o conjugado aplicado à carga

L, está relacionado com o

conjugado (torque) fornecido pelo motor

m pela Equação 3.21, considerando o ganho das

engrenagens

eng.

mengL

mKm = (3.21)

E as velocidades da carga WL e do rotor Wm tem sua relação dada por 3.22, considerando- se

os corpos envolvidos como rígidos.

eng

= (3.22)

Portanto, o balanço do conjugado do rotor é dado por:













+++=

eng

(3.23)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

onde:

m :

inércias do rotor (kg.m

);

L :

inércias da carga (kg.m

);

coeficientes de atrito viscoso do rotor (N.m/rad);

L :

coeficientes de atrito viscoso da carga (N.m/rad).

Reescrevendo a Equação 3.23 em termos das variáveis do motor, obtem-se:

eng

























(3.24)

Da Equação 3.24, deduzem-se a inércia efetiva, J, e o amortecimento efetivo, b, sentidos pelo

motor, respectivamente, dados por:













eng

(3.25)













eng

(3.26)

Nota-se pelas Equações 3.25 e 3.26 que, se K

eng

= 1, tanto a inércia quando os

amortecimentos da carga tendem a zero, não contribuindo em nada com os valores efetivos

vistos pelo motor.

3.6.4 Conversor cc-cc ponte completa efetivo

Como o modo de operação adotado para o motor cc é o controle por tensão de armadura, e

trata-se de um sistema de controle a ser aplicado à sistemas automotivos que dispõem de uma

bateria de tensão contínua de 12V, foi adotado um conversor cc-cc ponte completa (ponte H)

com modulação por largura de pulsos (PWM) para fazer o controle da tensão aplicada à

armadura.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.29 - Conversor cc-cc ponte completa

O conversor cc-cc de ponte completa é constituído de dois braços 1 e 2, tal como mostra a

Figura 3.29. Cada braço consiste em duas chaves semicondutoras, que neste trabalho foram

Mosfets (dispositivos semicondutores com chaveamento rápido com ordem de

microssegundos). As duas chaves de cada braço são operadas de forma que quando uma delas

está aberta a outra está fechada. Entretanto, na prática, duas chaves de um mesmo braço nunca

ficam fechadas ao mesmo tempo, na verdade ficam abertas por um curto intervalo de tempo,

conhecido como tempo morto (blanking time), introduzido intencionalmente para evitar um

curto circuito da entrada (Mohan et al, 2003). Seus efeitos sobre a saída serão considerados

mais tarde.

Considerando

o estado de operação do braço x, sendo:

quando, chave superior aberta e inferior fechada

quando, chave superior fechada e inferior aberta

A tensão instantânea aplicada à carga

(t) é dada segundo o estado das chaves do conversor

no tempo, pela Tabela 3.1.

Mosfets

Porta

Fonte

Dreno

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

TABELA 3.1- Estados possíveis para as chaves do conversor

0 0 0

0 1 -E

1 0 E

1 1 0

A partir da Tabela 3.1, obtem-se a Equação 3.27 que descreve a tensão v

(t) aplicada a carga

em função dos sinais de comando c

e c

. A Figura 3.30 mostra a forma de onda da função

(t) para um período T de PWM.

(

)

(

)

(

)

[

]

tctcEtv

210

−=

(3.27)

FIGURA 3.30 - Formas de onda de v

Considerando V

a tensão média aplicada à carga no intervalo T, define-se

( ) ( )

dttv

∫

(3.28)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Substituindo a equação 3.27 na equação 3.28 obtem-se

( ) ( )

dtcc

−=

∫

(3.29)

Considerando τ

o tempo dentro de um período T de PWM em que c

permanece no estado 1

e τ

o tempo em que c

permanece no estado 1 no mesmo intervalo T. Da equação 3.29

determina-se a equação 3.30, que fornece o valor médio da tensão aplicada a carga, dados os

tempos τ

e τ

no k-ésimo período T, onde, k corresponde à valores inteiros múltiplos de T,

que é o período de chavemanento do conversor.

( ) ( ) ( )

[ ]

210

ττ

−=

(3.30)

FIGURA 3.31 - Formas de onda de v

considerando 3 períodos T

A Figura 3.31 apresenta a distribuição simétrica em períodos de PWM. Os tempos de forma a

minimizar a onda de corrente de armadura (ripple) de corrente de armadura devem atender a

condição dada por

(

)

(

)

kkT

ττ

=−

(3.31)

Das equações 3.30 e 3.31, são obtidas as equações 3.32 e 3.33, que fornecem as larguras de

pulsos necessários para uma determinada tensão de referência

ref

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

( )

ref

(3.32)

( )

ref

(3.33)

(

)

(

)

TkEekVECom

ref

≤≤≤≤−

3.6.5 O efeito do tempo morto

Conforme apresentado anteriormente, durante o funcionamento de um conversor ponte H

existe um período de tempo chamado tempo morto (t

∆

), onde ambas chaves do mesmo braço

do conversor estão abertas. Isso é feito para evitar um curto circuito na entrada do mesmo. No

entanto, este modo de funcionamento introduz efeitos indesejáveis como ilustrado na

Figura 3.32

FIGURA 3.32 - Efeito do tempo morto

Na Figura 3.32, a área hachurada representa a diferença entre a tensão real (com tempo morto)

e a ideal (sem tempo morto) aplicada à carga. Essa diferença, ∆

pode ser positiva ou

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

negativa, dependendo da direção da corrente i

(considerando como referência o braço 1)

como segue (Mohan et al, 2003).

=∆

∆

+ , se

∆

− , se

(3.34)

Uma ilustração da variação da tensão média ideal (V

*) é representada pela Figura 3.33, onde

é a tensão de referência. A tensão média real V

em função do sentido da corrente i

é dada

pela equação 3.35, onde sig(i

) corresponde ao sentido de i

(vale -1 quando i

< 0 e 1 quando

> 0).

(

)

(

)

(

)

(

)

1000

* isigkVkVkV ∆+=

(3.35)

Portanto, conhecendo-se o sentido de i

o tempo morto pode ser compensado segundo Seixas

e Mendes (2005), pela equação:

(

)

(

)

(

)

isigtkk

comp

∆

ττ

(3.36)

Onde, T (k)

comp

é a largura de pulso compensada e τ (k) a largura de pulso calculada a partir

das equações 3.32 e 3.33.

FIGURA 3.33 - Efeito do tempo morto (gráfico)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.6.6 CONTROLADOR DSP TMS320LF2407 da família C2000

O DSP (Digital Signal Processor) da Texas instruments

da família C2000, consiste numa

família de DSP's com aritmética de ponto fixo (Texas Instruments, 1999) e que tem

arquitetura projetada para processamento de sinais em tempo real e ideal para aplicações em

controle de sistemas.

Mais detalhes sobre a arquitetura e funcionamento de cada módulo é encontrado em Texas

Instruments, 1999 e 2001 e Seixas e Mendes (2005).

3.6.7 Análise no Domínio da Freqüência

O termo resposta em freqüência é a resposta em regime estacionário de um sistema submetido

a um sinal de entrada qualquer. Nos métodos de resposta em freqüência, varia-se a freqüência

do sinal de entrada ao longo de uma faixa de interesse e analisa-se a resposta resultante.

Uma das vantagens do enfoque de resposta em freqüência é que os testes experimentais são

simples e podem ser realizados com exatidão a partir do uso de geradores de sinal senoidal e

de equipamentos de medida precisos. Muitas vezes a função transferência de componentes

complicados pode ser determinada experimentalmente por meio dos testes de resposta de

freqüência. Adicionalmente, o enfoque no domínio da resposta em freqüência apresenta a

vantagem de se projetar um sistema de modo que os efeitos de ruídos indesejáveis sejam

desprezíveis e que a análise e o projeto possam ser estendidos a determinadas classes de

sistemas não-lineares (Ogata, 1997).

Embora a resposta em freqüência de um sistema de controle apresente uma imagem

qualitativa da resposta transitória, a correlação entre as respostas em freqüência e transitórias

é indireta, exceto no caso de sistemas de segunda ordem. Ao se projetar um sistema em malha

fechada, ajusta-se a característica da resposta em freqüência da função de transferência em

malha aberta usando-se vários critérios de projeto a fim de se obterem características de

resposta transitórias aceitáveis (Ogata, 1997).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A apresentação das características da resposta em freqüência pode ser sob forma gráfica. A

representação gráfica em Diagramas de Bode ou gráficos logaritmos que são utilizados para

determinação experimental das funções de transferência. Um Diagrama de Bode consiste em

dois gráficos, um é o gráfico do logaritmo do módulo da função de transferência senoidal

(representando o valor do módulo – magnitude) e o outro, um gráfico de ângulo de fase,

ambos são construídos em função da freqüência numa escala logarítmica.

3.6.8 Filtros Ativos Passa-Baixas

Um filtro é aplicável quando se deseja tratar um sinal de forma a atenuar componentes

harmônicos que são indesejáveis, tais como os ruídos. O ruído pode ser apresentado em altas,

baixas ou em todas as freqüências (ruído branco). Com um filtro passa-baixas pode-se atenuar

componentes em freqüências altas do sinal. A Figura 3.34 mostra a resposta de um filtro

passa-baixas, onde ω

pass

é a freqüência de corte, a

pass

é a amplitude mínima do sinal na

banda passante (freqüência abaixo de ω

pass

), ω

stop

é a freqüência de parada (onde há a

maior atenuação do sinal) e a

stop

é a amplitude máxima em dB do sinal na banda de rejeição

(freqüências acima de ω

stop

) (Thede, 2004).

Para o tratamento dos sinais, podem ser aplicados filtros ativos passa-baixas do tipo

Butterworth. A Função de Butterworth de um filtro de ordem n é dada por:

( )

pass

passnB

ωωε

ωω

= (3.37)

onde,

110

1.0

−=

−

pass

(3.38)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.34 - Filtro passa-baixas parâmetros de projeto

A ordem da função de Butterworth do filtro passa-baixas, em função dos parâmetros

apresentados na Figura 3.34, é definida como (Thede, 2004):

(

)

(

)

[

]

( )

passstop

ωω

/log2

110/110log

1.01.0

−−

(3.39)

A alocação dos pólos da equação de transferência normalizada do filtro é feita considerando o

lado esquerdo do círculo de raio

B com centro na origem do plano

(Figura 3.35), onde os

pólos devem ter módulo igual a

FIGURA 3.35 - Circulo de raio

B no plano

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O lado esquerdo do eixo j

é escolhido para garantia da estabilidade. Então, o valor de

B é

definido por:

/1−

(3.40)

Definido

B, os ângulos dos pólos são determinados a partir das Equações 3.41 e 3.42. Essas

equações determinam apenas os valores dos ângulos dos pólos complexos no segundo

quadrante do plano

. Como cada pólo complexo tem seu conjugado, os ângulos dos pólos no

terceiro quadrante são prontamente definidos por:

(

)

( )

12/,...,1,0,

−=

= nm

(se n par)

(3.41)

(

)

( )( )

12/1,...,1,0,

−−=

= nm

(se n impar) (3.42)

As partes real e imaginária dos pólos complexos são definidas respectivamente por:

(

)

mBm

θσ

cos= (3.43)

(

)

mBm

senr

θω

= (3.44)

Caso a ordem

do filtro seja ímpar, além de pólos complexos, a função de transferência

apresentará um pólo real, definido por:

r−=

(3.45)

A equação de transferência do filtro Butterworth normalizada é definida por:

( ) ( )

12/,...,1,0,

−=

++Π

= nm

BSBS

mmm

(se n par) (3.46)

( )

( )( )

12/1,...,1,0,

−−=

++Π+

= nm

BSBSrS

mmm

(se n impar) (3.47)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Onde,

(3.48)

ωσ

(3.49)

Na maioria dos casos, a função normalizada do filtro deve ser convertida para uma função

não-normalizada se ω

pass

≠

1 rad/s. Para tanto, define-se a ordem do filtro pela Equação 3.39,

obtem-se a equação de transferência normalizada a partir de 3.46. Para n

par, ou Equação

3.47, para n

ímpar, e substitui-se S

por s/ω

pass

. Assim é obtida a função não-normalizada do

filtro passa-baixas Butterworth representada por:

( ) ( )

12/,...,1,0,

−=

++Π

= nm

bbss

mmm

(se n par) (3.50)

( )

( )( )

12/1,...,1,0,

−−=

++Π+

= nm

bbssrs

mmm

(se n impar) (3.51)

Onde,

passm

(3.52)

pass

(3.53)

passB

(3.54)

De posse da equação não-normalizada do filtro, o passo seguinte é a construção do circuito

eletrônico. Nesse caso, a topologia do tipo Sallen-Key, apresentada na Figura 3.36 pode ser

usada na representação de um termo de segunda ordem da equação do filtro (Thede, 2004). Se

o filtro tiver ordem quatro (

= 4), por exemplo, devem-se ter duas estruturas Sallen-key em

série, se

= 6, devem-se ter três e assim por diante.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.36 - Topologia Sallen-key

A função de transferência do circuito, representado pela Figura 3.36 é definida por:

( )( )

2121221211

2121

/1/1/1/1

CCRRsCRKCRCRs

CCRRK

out

+−+++

(3.55)

Onde,

K += 1

(3.56)

Fazendo

a Equação 3.55 fica representada pela relação dada por

3.57. O filtro Butterworth correspondente, isto é, a função não-normalizada, é representada

por 3.58. O ajuste de ganho será considerado mais tarde, uma vez que a Equação 3.57 tem

ganho K e a Equação 3.58 tem ganho unitário.

( )( )

222

/1/3

CRsRCKs

CRK

out

+−+

(3.57)

bsbs

(3.58)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Das Equações 3.57 e 3.58, obtêm-se as Equações 3.59 e 3.60, que definem as relações entre

os valores dos pólos alocados e dos componentes a serem utilizados na implementação do

filtro.

/1 CRb =

(3.59)

(

)

RCKb /3

−

(3.60)

Das Equações 3.59 e 3.60 define-se:

(

)

/3 bbK −=

(3.61)

Das Equações 3.56 e 3.61, obtêm-se:

/1 CbR =

(3.62)

(

)

/2/ bbRR

−=

(3.63)

Para fins de projeto, definem-se os valores de C e R

(valores comerciais) e calculam-se os

demais parâmetros a partir das Equações 3.63, 3.62 e 3.61, calculado os valores de b

e b

pelas Equações 3.52 e 3.53.

No caso de um filtro de ordem ímpar (

ímpar), deve-se ter ligada em série uma estrutura que

implemente o fator de primeira ordem. A estrutura apresentada na Figura 3.37 implementa o

termo de primeira ordem do filtro.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.37 - Estágio de primeira ordem de um filtro passa-baixas

A função de transferência da estrutura apresentada na Figura 3.37 é dada pela Equação 3.64.

A função não-normalizada do filtro Butterworth correspondente é dada pela Equação 3.65.

RCs

out

(3.64)

(3.65)

Para fins de projeto, define-se o valor de C (valor comercial), e calcula-se o valor da

resistência R pela Equação 3.66, onde o valor de r foi definido por 3.54.

rCR /1

(3.66)

Finalmente, um ajuste do ganho do filtro calculado deve ser implementado caso a ordem do

filtro calculada pela Equação 3.37 seja maior que 1. Uma estratégia a ser implementada é a

aplicação de um divisor de tensão na saída do filtro, como mostrado na Figura 3.38.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.38 - Divisor de tensão aplicado à saída de um filtro

Da Figura 3.38, o ganho total do circuito

tot

é:

GAKG

tottot

(3.67)

Onde, K

tot

é o produtório dos ganhos K

de cada estágio do filtro e GA o ajuste de ganho, dado

pela Equação 3.68 em função das resistências R

e R

(3.68)

A resistência de saída do circuito é R

out

e é dada por:

(3.69)

Das Equações 3.69 e 3.68, são obtidas:

outx

RGAR

⋅

(3.70)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

−

⋅

RGA

out

(3.71)

Por fim, no ajuste do ganho do filtro para um valor desejado G

tot

, calculam-se os ganhos K de

cada estágio do filtro pela Equação 3.61. Obtem-se o K

tot

pelo produto dos valores K

encontrados. Da relação da Equação 3.69, é definido o valor de GA. O valor de R

out

é fixado

segundo a conveniência. Finalmente, pelas Equações 3.70 e 3.71, são definidos os valores de

e R

, ,

a serem adotados na construção do divisor de tensão.

3.6.9 Aplicação de dispositivos de controle

Pinto e Pacheco (2006) implementaram um sistema de controle de ruído semi-ativo para tubos

de escapamento baseado em ressonadores de volume variável com um motor de corrente

contínua e um sensor para posicionamento e controle do volume conforme mostrado na

Figura 3.39.

FIGURA 3.39 - Controle de ruído semi-ativo para tubos de escapamento (Pacheco, 2006)

Vaculik (2001) desenvolveu um projeto (Figura 3.40) com um sistema de atuação magnética,

dispositivo com potencial para substituir as borboletas que possuem acionamento a cabos de

aço flexíveis, motores de passo e motores de cc.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 3.40 - Protótipo de uma borboleta ou uma palheta (Vaculik, 2001)

Uma exigência importante era que o sistema operasse sem um consumo de potência elétrica.

Isto pode ser resolvido por um exemplo mecânico, porém o compromisso neste caso foi um

sistema magnético, Figura 3.41. Foi usada força atraente para segurar uma extremidade para

um limite geométrico. No caso de um fluxo magnético de campo induzido resulta em um

torque que move o dispositivo.

FIGURA 3.41 - Princípio de funcionamento do sistema magnético

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.7 Testes de desempenho em dinamômetro de bancada

Um motor de combustão interna tem seu desempenho avaliado em função de vários

parâmetros. Neste trabalho serão avaliados o torque, a potência e o consumo específico (na

faixa útil de operação do motor), visto que estes são os parâmetros normalmente utilizados

para caracterizar o desempenho de um motor de combustão interna automotivo (NBR ISO

1585, 1996). O teste de desempenho é resultado das diversas propriedades e conceitos

aplicados ao desenvolvimento do motor que, se alteradas adequadamente, podem influenciar

no desempenho e emissões de poluentes dos motores.

Inicialmente, tem-se o torque como a capacidade de carga de um motor, sua disponibilidade

para realizar trabalho. Vale ressaltar que parte do torque produzido pelo motor é gasto para

vencer o atrito dos mancais, dos pistões e das demais peças do motor, e para efetuar a

admissão da mistura ar-combustível e a descarga dos gases da combustão, sendo a parcela

realmente disponível no eixo para carga denominada torque (Heywood, 1988; Obert, 1971).

Potência é a taxa com que o torque é realizado por um motor (Heywood, 1988), sua

capacidade de “atuar” sob certa carga a uma dada velocidade. Pressão média efetiva é

definida (Heywood, 1988) como a razão entre o trabalho realizado em um ciclo dividido pelo

volume do cilindro deslocado por ciclo. É uma pressão hipotética constante que seria

necessária no interior do cilindro de um motor, durante um ciclo, para desenvolver uma

potência efetiva (Obert, 1971). Finalmente, o consumo específico que é um parâmetro que

mede a eficiência de um motor em transformar combustível em trabalho (Heywood, 1988;

Obert, 1971), o quanto é consumido de combustível para realizar determinado trabalho.

O desempenho do motor de combustão interna depende de um grande número de parâmetros,

principalmente da quantidade de ar admitido. Quanto maior é a massa de ar admitida, maior é

a quantidade de combustível que pode ser injetada, sendo controlada em sistemas com

gerenciamento eletrônico pelo tempo em que o bico injetor de combustível permanece aberto

e a pressão na linha de combustível. Portanto, para uma maior quantidade de ar admitido,

maior a energia introduzida e maior a potência desenvolvida (Heywood, 1988; Soares, 2000).

O aumento da pressão atmosférica faz aumentar a densidade do ar, aumentando a massa de ar

por unidade de tempo, fazendo com isso aumentar a quantidade de combustível injetado,

proporcionando um crescimento da energia disponível e também de potência do motor.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Já a influência da temperatura ambiente na potência do motor está diretamente relacionada a

mistura ar-combustível, no qual um restrito intervalo de temperatura, ocorre a oxidação e,

portanto, uma combustão rápida. Para temperaturas mais elevadas, aumenta-se a tendência ao

fenômeno de detonação e contribui-se para uma perda do rendimento volumétrico, pode

causar também, no caso de motores a gasolina, evaporação estratificada de combustível

injetado na câmara, em virtude da existência de vários componentes na sua formulação, pode

haver evaporações parcializadas em temperaturas diversificadas. Para baixas temperaturas,

apenas uma parte muito pequena da gasolina injetada ser vaporizada, pode ocasionar

problemas de homogeneidade e fluxo da mistura (Soares, 2000).

A umidade relativa do ar é um fator importante no desempenho de um motor de combustão

interna, porém não comparável à importância da influência da pressão e temperatura

atmosférica (Soares, 2000). O vapor d’água exerce influência na pressão interna do cilindro,

pois proporciona um acréscimo na pressão barométrica total. A essa influência é dada a

denominação pressão parcial de vapor d’água (NBR ISO 1585, 1996; Van Wylen et al, 1998).

Assim, um aumento da umidade relativa do ar proporciona uma massa ar-combustível com

mais partículas de água. Essas partículas de água se vaporizam, quando submetidas a alta

temperatura no interior do cilindro, aumentando a pressão local (Soares, 2000).

3.8 Considerações finais

A revisão bibliográfica mostra possibilidades e tendências em pesquisa e desenvolvimento

aplicados à maximização de eficiência volumétrica. A ênfase foi dada ao estudo do

escoamento em sistemas de admissão. Ressonadores em condutos são estudados com o intuito

de melhorar o desempenho em motores de combustão interna.

Conceitos e desenvolvimento de sistemas de controle também são apresentados na revisão

bibliográfica para subsídio da construção do ressonador eletrônico. No próximo capítulo são

apresentadas as metodologias utilizadas para a construção dos ressonadores avaliados nesse

trabalho e para a obtenção dos dados para as várias condições testadas.

4. METODOLOGIA

4.1 Introdução

Neste capítulo são apresentados os procedimentos de desenvolvimento do ressonador de

volume variável com controle eletrônico e os parâmetros para os testes experimentais

adotados para a obtenção dos resultados desse trabalho. Na metodologia experimental são

mostrados os detalhes da montagem do sistema, definição dos condutos de admissão

adotados, o cálculo da freqüência dos componentes do sistema de admissão e o

posicionamento dos sensores utilizados nos experimentos.

Também são apresentados os procedimentos experimentais dos testes e a metodologia

numérica para o controle eletrônico do volume interno. Para a realização dos testes em Banco

de Fluxo, são apresentados os mecanismos de montagem do sistema e a metodologia utilizada

para obtenção dos resultados. Os testes experimentais de desempenho foram realizados em

um dinamômetro hidráulico de bancada (PUC Minas) e em um dinamômetro elétrico de

bancada (FPT Powertrain Technologies). Os parâmetros foram avaliados conforme norma

ABNT NBR 5477/1982 e os testes foram realizados e corrigidos conforme a norma ABNT

NBR1585/1996 para a condição original do motor sem ressonador (referência) e para o motor

com o ressonador no sistema de admissão.

4.2 Desenvolvimento do ressonador de volume variável

4.2.1 Desenvolvimento do sistema mecânico do ressonador de volume variável

A metodologia utilizada para o desenvolvimento do novo ressonador partiu dos estudos de

sistemas de volumes fixos, como caixas e cavidades ressonantes estudadas por diversos

autores apresentados na revisão bibliográfica.

O primeiro modelo construído foi semelhante ao utilizado por Hanriot, 2001, Rodríguez, 2006

e Pinto e Pacheco, 2006. São sistemas nos quais se tem um cilindro como cavidade ressonante

e a variação do volume acontece com o curso de um pistão, que varia de posição através de

uma rosca fuso. A Figura 4.1 mostra o modelo do ressonador de pistão construído.

METODOLOGIA

FIGURA 4.1 - Modelo do ressonador de pistão

As Tabelas 4.1 e 4.2 apresentam as características construtivas do ressonador, que foi

denominado de ressonador de pistão. A Figura 4.2 mostra a foto do ressonador de pistão

construído.

TABELA 4.1 - Dimensões construtivas do ressonador de pistão

Dimensões do Ressonador (mm)

Comprimento da cavidade 370

Diâmetro da cavidade 150

Comprimento do pescoço 170

Diâmetro do pescoço 25,4

METODOLOGIA

TABELA 4.2 - Volumes relativos ao curso aplicado

Variação do volume com o curso do pistão de acordo com as

características do ressonador de pistão

curso (mm) volume (m

) volume (litros)

freqüência de ressonância

de Helmoltz (Hz)

0,00088 0,88

102,15

100

0,00177 1,77

72,23

150

0,00265 2,65

58,98

200

0,00353 3,53

51,08

250

0,00442 4,42

45,68

300

0,00530 5,30

41,70

FIGURA 4.2 - Foto do ressonador de pistão com o suporte de fixação

Porém este primeiro modelo apresentou uma dinâmica de variação de volume muito lenta,

para o volume do ressonador de 0,88 a 4,42 litros, que corresponde a uma variação do curso

do pistão de 50 a 250 mm e uma variação de velocidade do motor de 1500 rev/min a 2500

rev/min em plena carga, o tempo deve ser em torno de dois segundos. No entanto, foi

mostrado por meio de testes que para o controle realizar este acionamento do pistão variando

o volume de 0,88 a 4,42 litros o tempo foi maior.

METODOLOGIA

Para resolver este problema, um segundo modelo foi construído, desenvolvido para ter maior

agilidade na variação do volume, alterando o volume interno do ressonador com maior

velocidade. A Figura 4.3 apresenta o modelo do ressonador de palheta desenvolvido para este

finalidade.

FIGURA 4.3 - Modelo do ressonador de palheta

A Figura 4.4 apresenta o modelo do ressonador de palheta com um eixo central e duas

palhetas, sendo uma palheta fixa e outra móvel. O ângulo entre as duas palhetas define o

volume do ressonador. A variação do ângulo é controlada por um sistema de redução de

engrenagens e um motor de corrente contínua. As Figuras 4.5 e 4.6 mostram fotos do

ressonador de palheta. As Tabelas 4.3 e 4.4 definem as características construtivas do

ressonador de palheta.

METODOLOGIA

FIGURA 4.4 – Esquema do ressonador de palheta acoplado ao conduto de admissão do motor

A Figura 4.5 mostra uma foto da vista superior do ressonador de palheta, onde pode ser

observado o motor de corrente contínua e o sistema de redução, que foram retirados do

sistema de acionamento da borboleta eletrônica de carga do motor com drive by wire e

adaptados para o controle do eixo da palheta móvel. A parte inferior do ressonador pode ser

vista na Figura 4.6.

FIGURA 4.5 - Foto da parte superior do ressonador de palheta

METODOLOGIA

FIGURA 4.6 - Foto da parte externa e inferior do ressonador de palheta

TABELA 4.3 - Dimensões construtivas do ressonador de palheta

Dimensões do Ressonador

Comprimento da cavidade 190 mm

Diâmetro da cavidade 195 mm

Comprimento do pescoço 170 mm

Diâmetro do pescoço 25,4 mm

TABELA 4.4 - Volumes relativos ao ângulo aplicado no ressonador de palheta

Variação do volume e da freqüência com o ângulo da palheta

de acordo com as características do ressonador de palheta

ângulo (mm) volume (m

) volume (litros)

freqüência de ressonância de

Helmoltz (Hz)

30 0,00047 0,47 107,88

60 0,00095 0,95 76,28

90 0,00142 1,42 62,28

120 0,00189 1,89 53,94

150 0,00236 2,36 48,24

180 0,00284 2,84 44,04

210 0,00331 3,31 40,77

240 0,00378 3,78 38,14

270 0,00425 4,25 35,96

300 0,00473 4,73 34,11

330 0,00520 5,20 32,53

360 0,00567 5,67 31,14

METODOLOGIA

4.2.2 Metodologia experimental e numérica para o controle eletrônico do ressonador

4.2.2.1 Introdução

Para o desenvolvimento do controle do ressonador de volume variável foi utilizado o software

MATLAB da MathWorksTM, e para implementação e teste do algoritmo de controle (em

linguagem C e Assembly) foi utilizado o CCS 3.3 (Code Composer Studio) da Texas

Intruments

, o qual fornece uma interface de programação e depuração.

O controle do ressonador de palheta foi desenvolvido em função da posição da palheta móvel

do ressonador, obtendo um controle aproximado de um sistema superamortecido, sem exceder

as limitações do motor c.c. utilizado. A Figura 4.7 mostra um modelo do ressonador de

palheta com o motor e o sistema de redução.

FIGURA 4.7 - Modelo do ressonador de palheta

com o motor cc incorporado ao sistema de redução

METODOLOGIA

Inicialmente foi considerado apenas o controle com realimentação de posição da palheta e

perturbações externas iguais a zero. Definido e validado o modelo do conjunto motor c.c., das

engrenagens e do ressonador de palheta, foi implementado o controlador Proporcional

Integral (PI) do modelo no MatLab™. De posse dos parâmetros do controlador PI, foi

desenvolvido o algoritmo de controle no controlador DSP.

A referência de posição foi gerada no controlador DSP de acordo com os sinais de pressão,

temperatura do ar no interior do ressonador, posição da borboleta de admissão e velocidade de

rotação do motor, sendo elaborado o diagrama de blocos da Figura 4.8. O algoritmo no DSP

faz a aquisição dessas variáveis e calcula a posição de volume adequado para a sintonia com a

freqüência do sistema de admissão. Para se obter o volume varia-se o ângulo da palheta móvel

de 30º a 360°. O valor encontrado é a referência para o controle (software link).

FIGURA 4. 8 - Diagrama de blocos do funcionamento do controlador DSP

Os valores de temperatura e pressão são os parâmetros para o cálculo da massa de ar admitida

pelo motor de combustão interna, sendo por isso importantes no cálculo da referência da

posição da palheta do ressonador.

METODOLOGIA

A posição da borboleta também é importante, uma vez que altera a queda da pressão do

escoamento e a amplitude da freqüência de ressonância no sistema de admissão. A rotação do

eixo comando de válvulas define a freqüência de abertura e fechamento das válvulas de

admissão. Para o controle de volume, foi utilizada a posição da palheta móvel do ressonador

através de um potenciômetro linear acoplado ao eixo do ressonador.

A Figura 4.9 apresenta o esquema do sistema de controle da palheta móvel, onde o

controlador PI foi implementado no DSP que controla o tempo de disparo dos Mosfets da

ponte H. A tensão média é aplicada ao motor, que movimenta o conjunto de engrenagens e a

palheta do ressonador.

FIGURA 4.9 – Esquema do sistema de controle com o ressonador de palheta

No eixo do ressonador onde a palheta foi fixada está acoplado o potenciômetro que retorna

um sinal de tensão (0-12V  30-360º), que é transmitido à uma das entradas analógicas do

DSP e é convertido num valor de 10 bits pelo ADC (analogic-digital converter), o qual é

usado no algoritmo de controle que gera os tempos de disparo dos Mosfets da ponte H. A

referência (posição da palheta) é gerada pelo DSP segundo os valores fornecidos pelo sensor

de posição da borboleta (potenciômetro), temperatura e pressão do ar no ressonador (CMD) e

rotação do virabrequim (CKP).

Os sinais correspondentes às grandezas medidas pelos sensores do motor utilizadas para o

monitoramento e controle do sistema com o ressonador de palheta necessitam ser introduzidos

no DSP. Para isto deve ser obtida a função transferência de cada grandeza obtida das curvas

de calibração estática. Como estas curvas não são fornecidas pelo fabricante do motor, uma

curva aproximada foi obtida para cada grandeza, utilizando um sistema de medição de

referência.

METODOLOGIA

4.2.2.2 Levantamento das curvas de pressão e temperatura

Os sensores de pressão e temperatura utilizados são os do sistema de injeção eletrônica que

faz parte do conjunto medidor de densidade - CMD do sistema de admissão do motor. O

sensor de pressão é constituído de uma ponte de Wheatstone. Uma face desta membrana é

exposta a uma câmara com vácuo e a outra exposta a pressão do coletor, sendo que a

diferença entre as pressões gera uma variação de resistência. O sensor de temperatura é um

termistor do tipo NTC (coeficiente de temperatura negativo), onde a tensão de saída deste

sensor varia em função da resistência do termistor. Ambos são alimentados com uma tensão

constante de 5V.

Para a obtenção da resposta estática do sensor foi utilizada uma bomba de depressão acoplada

ao sensor de pressão, conforme apresentado na Figura 4.10.

FIGURA 4.10 – Levantamento dos dados de pressão realizado

com o sensor CMD em bancada

Os valores de tensão para diferentes pressões aplicadas são mostrados nas Figuras 4.11 e 4.12,

sendo necessárias duas zonas de ajuste linear para minimizar o erro de ajuste. A partir do

ajuste linear, mostrado na Figura 4.11, a equação que dá a resposta estática do sensor com o

METODOLOGIA

motor de combustão interna em marcha lenta (no caso, na zona de pressões abaixo da pressão

ambiente de 750 mmHg) é dada por:

774250

⋅

(4.1)

onde V é a tensão lida na saída do sensor.

FIGURA 4.11 - Resposta estática do sensor de pressão com motor em marcha lenta

A partir do ajuste linear apresentado na Figura 4.12, para as demais condições de operação do

motor de combustão interna (zona de pressões acima da pressão ambiente de 750 mmHg), a

curva da resposta estática do sensor é dada pela equação:

914252

⋅

(4.2)

onde V é a tensão lida na saída do sensor.

METODOLOGIA

FIGURA 4.12 - Resposta estática do sensor de pressão

para as demais condições de operação do motor

A resposta estática do sensor de temperatura foi obtida com auxílio de um recipiente com

água, um termopar de referência, um voltímetro e um ebulidor, conforme mostra a Figura

4.13. Foram medidas diferentes temperaturas da água (na faixa de 25 a 50

C) com o sensor de

temperatura submerso e alimentado com 5V. O ebulidor foi utilizado de forma a aumentar a

temperatura da água e com o voltímetro foram medidas as tensões de saída do sensor para a

temperatura lida no termopar. A temperatura do ar no duto de admissão, com o motor

aquecido, varia geralmente entre 20 e 50

A resposta estática obtida para o sensor de temperatura é representada na Figura 4.14, onde a

tensão foi multiplicada por 3,5, de forma a ajustar o ganho do sensor, uma vez que o DSP

aceita no máximo uma tensão de 3,3V na entrada de seu conversor analógico digital (ADC)

com range de 0 a 5V. A equação do ajuste linear apresentada na Figura 4.14 é dada pela

equação:

01108260

⋅

−

(4.3)

onde θ é a temperatura e V é a tensão lida na saída do sensor.

METODOLOGIA

FIGURA 4.13 – Levantamento dos dados de temperatura realizado

com o sensor CMD em bancada

FIGURA 4.14 - Resposta estática do sensor de temperatura

METODOLOGIA

4.2.2.3 Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta

O sensor da borboleta eletrônica é o do sistema de injeção eletrônica Magneti Marelli IAW

4AF, alimentado com 5V, sendo a resposta em ângulos de 0 a 83,7

, variação correspondente

de borboleta fechado a condição de plena carga, a Figura 4.15 mostra a condição de teste em

plena carga.

FIGURA 4.15 – Levantamento da curva do sensor de posição da borboleta

Para a obtenção da resposta estática do sensor foi utilizado um voltímetro conectado a saída

do sensor, um disco de papel com marcas espaçadas de 15

, uma chave de fenda com um

marcador para indicar o ângulo, e o sensor alimentado com 5V. Foram medidos os ângulos e

obtidos os valores da tensão na saída do sensor. A resposta estática obtida é mostrada na

Figura 4.16, onde a tensão foi multiplicada por 3,3 e dividido por 5, de forma a ajustar o

ganho do sensor para garantir uma tensão máxima de 3,3V , tensão máxima na entrada do

conversor analógico digital (ADC) do DSP.

METODOLOGIA

A equação estática do sensor a partir do ajuste linear mostrado na Figura 4.16 é definida por:

591121

⋅

−

⋅

(4.4)

onde V é a tensão lida na saída do sensor.

FIGURA 4.16 - Resposta estática do sensor de posição da borboleta

4.2.2.4 Levantamento da curva do sensor de rotação do eixo virabrequim

A rotação foi dada pelo sensor de posição do eixo virabrequim - CKP Crank Shaft Position.

Esse sensor é baseado em efeito de relutância magnética (hall). Fornece uma onda quadrada

de 0-5 V de freqüência variável com a rotação do virabrequim (ω

), que é duas vezes maior

que a rotação do eixo comando de válvulas (ω

A Figura 4.17 mostra o gráfico do teste realizado no Banco de Fluxo para obtenção da

resposta estática com o sensor de rotação do motor instalado em um suporte específico. Os

valores do número de revoluções por minuto foram obtidos com um sensor ótico e um

frequencímetro, onde se obtiveram as freqüências em Hz, correspondentes a cada valor lido.

A resposta estática desse sensor é mostrada na Figura 4.17.

METODOLOGIA

FIGURA 4.17 - Resposta estática do sensor CKP

Do ajuste linear da Figura 4.17, considerando a freqüência do sensor f, define-se a equação da

freqüência de rotação (f

rot

) do eixo comando de válvulas em função de f, como sendo:

4291111

⋅

−

⋅

rot

(4.5)

4.2.2.5 Levantamento da curva do Sensor de posição da palheta

O sensor de posição da palheta do ressonador utilizado é um potenciômetro linear. Descreve

ângulos de 0 a 330

por meio da variação da resistência.

No teste realizado para obtenção da resposta estática foi utilizado um disco graduado com

marcas espaçadas de 15

, posicionado de forma a permitir a leitura do ângulo correspondente

à posição do potenciômetro. Com um voltímetro foram obtidos os valores de tensão na saída

do sensor correspondentes a cada ângulo lido. A resposta estática obtida é mostrada na Figura

4.18.

METODOLOGIA

FIGURA 4.18 - Resposta estática do potenciômetro de posição da palheta

Do ajuste linear mostrado na Figura 4.18, a equação da reta é dada pela Equação 4.6, onde V é

a tensão de saída do sensor.

064952.05179.1

(4.6)

4.2.3 Tratamento de sinais

Os componentes que fazem parte da injeção eletrônica são monitorados pelo sistema de

aquisição de dados, porém, sua arquitetura é fechada e não há como obter os sinais tratados

diretamente do módulo de comando. Um tratamento nos sinais obtidos dos sensores é

necessário para a implementação do controle, tratamento do ruído dos sinais e o ajuste da

tensão de entrada no ADC (Analogical Digital Converter) do DSP para uma faixa de 0 a 3,3V,

uma vez que toda a instrumentação do sistema é alimentada com 5V.

O tratamento do ruído e ao mesmo tempo a tensão de entrada no DSP são realizados pela

implementação de filtros ativos Butterworth, com ganho corrigido por divisores de tensão. A

freqüência de corte dos filtros projetados foi considerada 10 vezes o inverso da constante de

METODOLOGIA

tempo do fenômeno em questão, isso porque é desejado minimizar os efeitos sobre a dinâmica

do mesmo.

4.2.3.1 Tratamento do sinal de pressão

O valor de interesse para a aplicação do sensor de pressão é o valor final da pressão durante o

intervalo entre os momentos de abertura e fechamento das válvulas da admissão. Logo, a

freqüência de corte f

será igual a 10 vezes a freqüência máxima de rotação (f

max

), dividida por

2. Sendo f

max

= 6500rpm = 108,3Hz, pois acima dessa freqüência de rotação a injeção é

desativada. Define-se f

= 10f

max

/ 2 = 542Hz.

Assumindo que a ordem do filtro passa-baixas Butterworth é dada pela Equação 3.37 e

considerando, ω

pass

= 2πf

= 3405,5rad/s, ω

stop

= 10*ω

pass

= 34055rad/s, a

pass

= -3dB,

stop

= -50dB, assim a ordem do Butterworth a ser aplicado nesse caso é n = 3. A função de

transferência normalizada, a partir da Equação 3.46, é dada por:

( )

0016

0008

0016.1

0008

0008.1

⋅

Bpressao

(4.7)

A partir da Equação 4.7 e substituindo a variável S por s=ω

pass

, obtem-se a Equação 4.8, que

corresponde a equação não-normalizada do filtro, dada por:

( )

732

1616

4082

101616.1

4082

104082.3

⋅

Bpressao

(4.8)

A partir das Equações 3.63, 3.62, 3.61, 4.8 e 3.56, considerando C = 0,01µF e R

= 10kΩ

(valores comerciais), são definidos para o estágio de segunda ordem os valores:

Ω

kRkRK

10,3412.29,2

O valor de R é tomado como 30kΩ (valor comercial), sendo obtido para o estágio de primeira

ordem o valor de

Ω

kR 3412.29

, aproximado para 30 kΩ.

METODOLOGIA

A função de transferência do filtro com os valores adotados para as resistências e capacitância

é dada por:

( )

732

10111.110333.3

10111.1

10333.3

×+×+

⋅

×+

sss

out

(4.9)

O valor do ganho da função 4.9 foi G

tot

= 2. No entanto, deseja-se um ganho final de 3,3

dividido por 5, igual a 0,66, para correção da tensão de entrada no DSP. Da Equação 3.67,

obtem-se o ajuste de ganho GA = 3,03 , sendo adotado a impedância de saída do filtro R

out

10 kΩ. Pelas Equações 3.70 e 3.71 são obtidos os valores das resistências do divisor de

tensão, como sendo

Ω

keRkR

93.1430.30

. Finalmente, foram adotados R

= 30kΩ

e R

= 15kΩ (valores comerciais). Das Equações 3.68 e 3.67, foi obtido o ganho final do filtro

como G

tot

= 0,6667. O diagrama do circuito do filtro com o posicionamento de R

e R

apresentado na Figura 4.19. A função de transferência do filtro (Equação 4.9) com o divisor

de tensão calculado é dada por:

( )

732

10111.110333.3

10111.1

10333.3

6667.0

×+×+

⋅

×+

sss

out

(4.10)

FIGURA 4.19 - Diagrama do circuito do filtro

4.2.3.2 Tratamento do sinal de temperatura

A variação da temperatura é lenta, da ordem de décimos de segundo, por tanto foi considerado

uma faixa de freqüência abaixo de 1rad/s (τ = 1) e uma freqüência de corte W

pass

= 10rad/s,

dez vezes acima, para não interferir na dinâmica do processo. Foram adotados: a

pass

= -3dB,

METODOLOGIA

stop

= -50dB e W

stop

10w

pass

= 10rad/s. A ordem do filtro passa-baixas Butterworth é dada

pela Equação 3.65. Nesse caso n = 3. A função de transferência normalizada a partir da

Equação 3.73 é dada por:

( )

0016

0008

0016.1

0008

0008.1

⋅

aBteperatur

(4.11)

A Equação 4.11 é igual à Equação 4.7, isto porque têm mesma ordem e sua freqüência de

corte é a mesma 1rad/s, por serem equações normalizadas. Como ω

pass

= 1rad/s, as equações

normalizadas e não-normalizadas são iguais. Logo, a Equação de transferência não-

normalizada é dada pela Equação 4.12.

( )

0016

0008

0016.1

0008

0008.1

⋅

raBtemperatu

(4.12)

Por tanto, a partir das Equações 3.63, 3.62, 3.61, 4.12 e 3.56, considerando C = 0,01µF e R

10kΩ (valores comerciais), são definidos para o estágio de segunda ordem os valores.

Ω=Ω== kRMRK

10,9209.99,2

O valor de R é tomado como sendo 100MΩ (valor comercial). Para o estágio de primeira

ordem foi obtido

Ω

MR 9209.99

, sendo adotado R = 100MΩ. A função de transferência do

filtro com os valores adotados para as resistências e capacitância é dada por:

( )

⋅

out

(4.13)

O valor do ganho da função foi G

tot

= 2, assim como o da Equação 4.9, logo o ajuste de ganho

foi o mesmo, e por isso foram adotados R

= 30kΩ e R

= 15kΩ. O ganho final do filtro foi o

mesmo G

tot

= 0,6667. A função de transferência do filtro, Equação 4.13, com o divisor de

tensão calculado é dada pela equação:

( )

6667.0

⋅

out

(4.14)

METODOLOGIA

O diagrama do circuito eletrônico construído a partir da Equação 4.10 é representado na

Figura 4.20. Deve-se notar que o valor de R encontrado é muito elevado e na prática, apesar

de existir comercialmente, não é muito utilizado, podendo inclusive introduzir ruído ao

circuito projetado.

Uma solução para redução do valor de R e contornar a situação apresentada é aumentar o

valor de C na mesma proporção, ou seja, se se deseja R cem vezes menor, deve-se ter C cem

vezes maior, para que seja obtido a mesma equação do filtro calculada, o que pode ser

percebido por inspeção das Equações 3.57 e 3.64, onde C e R aparecem sempre numa relação

de multiplicação, seja simples ou de seus quadrados. Logo, foi adotado R = 1MΩ (cem vezes

menor) e C = 1µF (cem vezes maior), valores que aplicados ao circuito representado na figura

4.20 implicam na mesma Equação 4.14.

FIGURA 4.20 - Diagrama do circuito do filtro

4.2.3.3 Tratamento do sinal de posição da borboleta

Para esse sensor a freqüência de corte foi obtida a partir da constante de tempo mecânica (τ

)

do motor cc aplicado no controle do volume do ressonador de palheta, mesmo modelo

utilizado no controle de posição da borboleta. Assim, a freqüência de corte (w

pass

) do filtro a

ser projetado é 10 vezes maior que a freqüência 1/τ

do motor cc, para garantir que os pólos

adicionados pelo filtro tenham pouca influência sobre a dinâmica do processo que está sendo

monitorado pelo sensor. Isso implica em w

pass

= 10/τ

= 240,39rad/s. Assumindo que se

deseja a

pass

= -3dB, a

stop

= -50dB e w

stop

= 10w

pass

= 2403,85rad/s, a ordem do filtro passa-

METODOLOGIA

baixas Butterworth a ser empregado a partir da equação 3.65 é n = 3. A função de

transferência normalizada , a partir da Equação 3.73, é dada por:

( )

0016

0008

0016.1

0008

0008.1

⋅

Bborboleta

(4.15)

A Equação 4.15 é igual a Equação 4.7, isto porque tem mesma ordem e sua freqüência de

corte é a mesma 1rad/s, por serem Equações normalizadas. Substituindo a variável S por

s/w

pass

em 4.15, obtêm-se a Equação 4.16, que corresponde a equação não-normalizada do

filtro.

( )

240

1088.57

240

58.240

⋅

Bborboleta

(4.16)

Por tanto, a partir das Equações 3.63, 3.62, 3.61, 4.16 e 3.56, considerando C = 0,01µF e R

10kΩ (valores comerciais), são definidos para o estágio de segunda ordem os valores

Ω=Ω== kRkRK

10,67.415,2

O valor de R é tomado como 390kΩ (valor comercial). Para o estágio de primeira ordem foi

obtido

Ω

kR 67.415

tomando-se o valor final de R = 390kΩ. A função de transferência do

filtro com os valores adotados para as resistências e capacitância é dada por:

( )

108.654.256

108.65

4.256

×++

⋅

out

(4.17)

O valor do ganho da Equação 4.17 foi G

tot

= 2, assim como os ganhos totais das Equações

4.13 e 4.9, logo o ajuste de ganho deve ser o mesmo, e por isso foram adotados R

= 30kΩ e

= 15kΩ para o divisor de tensão. O ganho final do filtro foi G

tot

= 0,6667. A função de

transferência do filtro, dada pela Equação 4.17 com o divisor de tensão calculado, é

apresentada na equação:

( )

108.654.256

108.65

4.256

6667.0

×++

⋅

out

(4.18)

METODOLOGIA

O diagrama do circuito eletrônico construído a partir da Equação 4.18 é representado na

Figura 4.21.

FIGURA 4.21 - Diagrama do circuito do filtro

4.2.3.4 Tratamento do sinal de rotação do virabrequim

Esse sensor fornece uma onda quadrada e nenhum filtro será aplicado. No entanto, um ajuste

na tensão é necessário, devido ao fato dessa onda ter amplitude de 5V e deve-se ter no

máximo 3,3V na entrada do DSP. O DSP utilizado possui uma interface para tratamento de

sinais do tipo que esse sensor fornece. Trata-se do QEP (quadrature encoder pulse), onde um

contador é disparado a cada subida ou descida do sinal, quando um novo pulso se inicia. O

valor no contador é igual ao número n de períodos de clock T, que compõem um período do

sinal de entrada. A Figura 4.22 representa essa contagem.

FIGURA 4.22 - Representação da contagem de períodos de clock

de um sinal em forma de onda quadrada

A freqüência de rotação f

rot

ou a freqüência do sinal é dada pela equação:

METODOLOGIA

frot

(4.19)

O ajuste da tensão de 5V para um máximo de 3,3V foi feito utilizando a técnica do divisor de

tensão. Da Equação 3.67, obtem-se o ajuste de ganho GA = 1,52, e adotando a impedância de

saída igual a R

out

= 10kΩ, pelas relações 3.70 e 3.71, são obtidos os valores das resistências R

e R

do divisor de tensão como sendo

Ω=Ω= keRkR

41.2915.15

, cujos valores adotados

são R

= 15kΩ e R

= 30kΩ (valores comerciais). Das Equações 3.93 e 3.94, é obtido o ganho

final como G

tot

= 0,6667.

4.2.3.5 Tratamento do sinal de posição da palheta do ressonador

O sensor de posição é monitorado por um processo com mesma constante de tempo que o

sensor da borboleta, pois, os motores cc são do mesmo modelo. É considerado também que o

projeto de filtro obtido pode ser aplicado ao sensor de posição do ressonador.

No entanto, o ganho para esse sensor deve ser unitário, pois é alimentado com 3,3V . Dado

que o ganho total, K

tot

da Equação 4.17 é dois e que o ajuste de ganho GA dever ser 2 para

que o ganho final G

tot

seja igual a 1, é fixado a impedância de saída do filtro como sendo

out

= 10kΩ. Calcula-se a partir das Equações 3.70 e 3.71 os valores de R

= 20KΩ e R

20kΩ. Logo a função do filtro do sensor de posição da palheta do ressonador, aplicado o

divisor de tensão dado por R

e R

y ,

é definida por:

108.654.256

108.65

4.256

×++

⋅

out

(4.20)

4.2.4 Modelo do sistema de acionamento do ressonador

O atuador é o motor utilizado no controle da borboleta eletrônica da admissão do sistema

Magneti Marelli e está acoplado ao ressonador via um conjunto de engrenagens. As

engrenagens estão arranjadas como mostra a Figura 4.23.

METODOLOGIA

FIGURA 4.23 - Conjunto de engrenagens do sistema de redução

O ganho adicionado pelas engrenagens K

eng

é dado por (Leonhard, 2001):

eng

(4.21)

Reescrevendo a Equação 4.21 em função do número de dentes (n) de cada engrenagem, tem-

se:

eng

(4.22)

Considerando que o momento de inércia J e o coeficiente de atrito viscoso b correspondem

aos valores efetivos em relação ao atuador (Graig, 2005), desprezando outras perdas e

possíveis folgas entre as engrenagens, assumindo um rendimento de 100% (η = 1) para o

conjunto de engrenagens (Leonhard, 2001), o sistema pode ser escrito por (Dorf, 2001) da

seguinte forma:

( )

(4.23)

onde,

engv

KbR

(4.24)

KbR

(4.25)

METODOLOGIA

4.2.4.1 Estimação de Parâmetros

A determinação do sistema se baseia na estimação dos seguintes parâmetros: R

, K

, J, b e

eng

. A seguir é apresentada a estimação de cada parâmetro.

- K

eng

é obtido a partir da Equação 4.22 e dado que n

= 10, n

= 47, n

= 10 e n

= 50 obtem-

se K

eng

= 0,0426.

- R

é obtido considerando a Equação 3.16 com o motor parado (ω = 0), conseqüentemente e

também é zero. Desta forma, define-se:

LiRv

aaaa

(4.26)

A Equação 4.26 representa um simples circuito RL. Logo em regime estacionário, a partir

dessa equação, é obtido:

aaaa

RIRV =⇒=

(4.27)

Da Equação 4.27, obtidos os valores de V

e I

com o sistema parado e em estado estacionário,

determina-se R

, lembrando que o motor deve estar pré-aquecido (Oliveira, 1980).

Para realização do ensaio, foram utilizados dois multímetros (um como amperímetro e outro

como voltímetro) e uma fonte de tensão direta variável. Aplicadas diferentes tensões e

registradas as medições com o motor cc parado foi obtida a Figura 4.24, a qual mostra os

dados obtidos e o ajuste linear do qual foi estimado R

= 1,77 , definido pela inclinação da

reta.

METODOLOGIA

FIGURA 4.24 - Resultado do ensaio de estimação de R

Estimação de K

é obtida considerando a Equação 3.42. Com o sistema em estado

estacionário, com velocidade ω no eixo do motor cc e com o ressonador acoplado via

conjunto de engrenagens, deve-se ter:

aaa

vvaaaa

IRV

KKIRVE

−

=⇒=−=

4.28)

Conhecidos os valores de V

, R

, I

e ω, e utilizando a Equação 4.28 determina-se K

. Nesse

ensaio foram medidos diferentes valores de V

e I

com auxílio de multímetros para diferentes

valores de ω, monitorados via tacômetro acoplado ao eixo do motor em regime estacionário.

De posse do valor de R

calculado anteriormente e da Equação 4.28, foi gerada a Figura 4.25,

onde K

é igual a inclinação do ajuste linear da curva, assim K

= 0,06V s/rad.

METODOLOGIA

FIGURA 4.25 - Resultado do ensaio de estimação de K

Para estimar J , o ensaio foi feito com o ressonador acoplado ao motor cc, sendo seguidos os

passos de (Leonhard, 2001):

1. Obter N medidas de ω (velocidade) e P (potência), com o sistema em regime permanente.

2. Com o sistema em estado estacionário e velocidade ω (ω > ω

max

medido no passo 1) cortar

alimentação (P = 0) e calcular d ω =dt ≈ ∆ω = ∆t , ω

nos pontos de interesse, ou seja,

relativos às velocidades encontradas no passo 1. A Figura 4.26 mostra a velocidade do eixo

do motor em função do tempo(Leonhard, 2001). Por tanto J

medio

é dado por:













∆

−

∑

medio

(4.29)

METODOLOGIA

FIGURA 4.26 - Curva de desaceleração do motor cc

Conforme descrito, com N = 10, foi obtido J = 12,6 * 10

-5

Kg.m

. A Tabela 4.5 mostra os

dados obtidos no passo 1.

TABELA 4.5 – Dados do ensaio de desaceleração

As curvas utilizadas para o cálculo aproximado das derivadas de velocidade são mostradas

nas Figuras 4.27 e 4.28, as quais foram obtidas pela monitoração da tensão de armadura

medida por osciloscópio e convertida em velocidade pela Equação 4.28. O teste foi realizado

com o ressonador e o conjunto de engrenagens acopladas ao motor cc de forma que J é o

momento de inércia efetivo sentido pelo motor cc. As Figuras 4.27 e 4.28 mostram as curvas

de desaceleração do motor cc utilizado em função do tempo sem aplicação de filtro e com

aplicação, respectivamente.

METODOLOGIA

FIGURA 4.27 - Curva de desaceleração sem filtro

Uma forma de determinação experimental do coeficiente de atrito viscoso b, é desprezar as

demais perdas resistivas e magnéticas, considerando o sistema numa dada velocidade

estacionária, onde a potência elétrica P

é aproximadamente igual à potência fornecida à

carga P

O ensaio foi realizado com o ressonador ligado ao motor cc. Desta forma, considerando que

toda a potência é revertida para vencer o atrito (Oliveira, 1980), tem-se:

b =

(4.30)

METODOLOGIA

FIGURA 4.28 - Curva de desaceleração filtrada

Logo, conhecendo-se a velocidade do motor por meio de um tacômetro e determinadas a

tensão e a corrente de armadura com o sistema estacionário, pode-se determinar o valor de b,

para a velocidade dada. O valor de b não é constante com a velocidade. No entanto,

considera-se b constante, correspondendo ao valor de atrito em velocidade nominal (Oliveira,

1980). Por tanto, estima-se b = 1 * 10

-3

N.m.s/rad a partir da Tabela 4.5 e da Equação 4.30,

com velocidade nominal,

ωnominal

= 147,08 rad/s. O teste foi realizado com o ressonador e o

conjunto de engrenagens acoplado ao motor cc, de forma que b é o amortecimento efetivo

sentido pelo motor cc.

4.2.4.2 Validação do modelo

A partir da estimação dos parâmetros e das Equações 4.24 e 4.25, são obtidos os valores de

K = 0,476 e τ

= 0,0416, que substituídos na Equação 3.20 fornecem a função de transferência

do sistema a ser controlado, dada por:

METODOLOGIA

( )

10416.0

476.0

(4.31)

Retirando o integrador da Equação 4.31, transformando a equação de posição para velocidade,

o modelo simplificado do sistema é apresentado na Figura 4.29 e a resposta do modelo a uma

entrada de grau é mostrada na Figura 4.30. Analisando-se a Figura 4.30, percebe-se que existe

uma diferença entre as velocidades máximas no estado estacionário do modelo e da curva

experimental. Isto é explicado pelo fato de ter-se monitorado a tensão de armadura, V

a ,

para

obtenção da curva experimental, a qual se torna igual a E

quando desliga-se a alimentação do

circuito de armadura (I

= 0), pois, em regime estacionário, V

= R

. Dividindo os dados

por K

, pois E

= K

ω, tem-se a velocidade ω em rad/s. Assim, a diferença de velocidades

máximas é explicada pelo fato de haver uma queda de tensão em R

que é igual ao produto

, o que fornece uma diferença de velocidades (ω

max

da curva experimental - ω

max

modelo) de (R

)=K

FIGURA 4.29 – Esquema do modelo simplificado do sistema

Para a curva experimental tem-se ω

max

= 244rad/s, enquanto que para o modelo tem-se ω

max

= 174rad/s, o que obtém uma diferença de 70rad/s. Se Ra = 1,77Ω, I

= 2,4A e K

0,06V.s/rad, tem-se que (R

)=K

= 71rad/s.

A Figura 4.30 mostra as curvas de velocidade em função do tempo para o motor cc,

experimental e modelo obtido. Logo, está correta a diferença mostrada na Figura 4.30 devido

aos dados obtidos. Já o erro do valor final é explicado pela existência de uma tensão residual

negativa na armadura, que é próxima de zero, que com a divisão por K

fica amplificada. Vale

lembrar que a massa de dados utilizada para validação do modelo é diferente da utilizada no

ensaio de desaceleração para estimação de J.

METODOLOGIA

FIGURA 4.30 - Resposta do modelo validado

4.2.5 Projeto do Controlador

O requisito de desempenho para o controle a ser implementado envolve uma resposta com

tempo entre 300ms e 1000ms, tempo suficientemente para uma variação de posição do pedal

do acelerador alterar a posição da borboleta com os filtros aplicados de dirigibilidade. Isto

equivale a uma variação de 250 rev/min do motor com carga, sendo que o percentual de

overshoot deveria ser abaixo de 5%. Feitas essas considerações na implementação do

controlador PI, foi usado o método lugar das raízes (Dorf et al, 2001 e Haykin e Veen, 2002),

por critério de simplicidade. Os ganhos foram calculados considerando a dominância dos

pólos complexos (Dorf et al, 2001 e Haykin e Veen, 2002), selecionados de forma a suprir as

especificações e o garantir uma boa margem de erro, de forma a permitir a sua aplicação

futura. Desta forma tem-se:

ςωςω

−±−=

(4.32)

A partir da Equação 4.32, que representa os pólos complexos, onde ω

é a freqüência natural e

ζ o coeficiente de amortecimento, são definidos os parâmetros desejados:

METODOLOGIA

1. Constante de tempo de 0.1 segundo. O que implica em ζ ω

= 10.

2. Percentual de overshoot (P.O.) ≤ 2%. Para tanto foi adotado ζ = 0,8 implicando numa

freqüência natural de ω

= 12,5 e um P.O. = 1.52% na dominância dos pólos complexos.

Da Equação 4.32, esses pólos complexos devem ser s = -10 ± 7,5i . O sistema em malha

fechada é apresentado na Figura 4.31.

FIGURA 4.31 - Diagrama de blocos do sistema em malha fechada

Onde, K

e K

são, respectivamente, os ganhos integral e proporcional do PI e K

o ganho do

sensor de posição. Pelo diagrama de blocos da figura 4.25, utilizando a fórmula de Mason

(Dorf et al, 2001), é obtida a Equação de transferência em malha fechada dada por

(

)

( )

KKsK

(4.33)

O polinômio característico do sistema em questão corresponde ao denominador da Equação

4.33, o qual é necessário para aplicação do método do lugar das raízes e é definida por













(4.34)

Onde,

(4.35)

METODOLOGIA

100

Considerando, p

a posição do pólo complexo desejado, tem-se o arranjo da Figura 4.32, onde

também são representados os pólos de malha aberta.

FIGURA 4.32 - Os pólos de malha aberta e o pólo desejado

Pelo critério de ângulo do método do lugar das raízes, em relação ao pólo p

desejado, foi

definida a posição do zero z do sistema.

FIGURA 4.33 - Relação de ângulos do lugar das raízes

Considerando θ

o ângulo do zero e a Figura 4.33, foi obtida a relação dada por:

(

)

121801802

213

+=++=

θθθ

, com n = 1,2,3,... (4.36)

do qual θ

= 140,25

Então, o zero do sistema z = -K

tem valor determinado pelo ângulo θ

a partir da posição

de p

Desta forma,

se p

= 10 + 7,5i , implica que z = -0,9822. Posicionado z e considerando a

Figura 4.34 e os segmentos de reta A, B e C, o ganho K

é dado pela condição de módulo do

método do lugar das raízes, representado pela equação:

METODOLOGIA

101

(

)

(4.37)

onde foi encontrado K

= 179.

FIGURA 4.34 - Segmentos de reta da condição de módulo do lugar das raízes

Uma vez que K

= KK

=τ

, é obtido o ganho proporcional K

do controlador PI. Como z = -K

, prontamente encontra-se o ganho integral K

do controlador. Foram obtidos K

=15,7 e

=15,4. Substituindo, K

= 179, com zero em z, na Equação 4.34, o pólo real do sistema em

malha fechada é p

= -1,1244. A resposta do sistema em malha fechada ao degrau unitário é

apresentada na Figura 4.35.

FIGURA 4.35 - Resposta do sistema para z = -0,9822

METODOLOGIA

102

Analisando a Figura 4.35, percebe-se que o percentual de overshoot foi de 11,78% e a

resposta não chegou a referência antes de 2 segundos, logo a resposta não foi satisfatória, uma

vez que os efeitos do zero (principalmente) apareceram na resposta para reduzir a velocidade

de convergência da resposta e aumentar o overshoot. Uma estratégia para melhorar esse

desempenho é usar o critério de módulo para a situação representada na Figura 4.36, onde

aproximando p

e z, fazendo C pequeno, obtém-se uma sobreposição de efeitos entre p

e z :

FIGURA 4.36 - Posição do zero do sistema em relação ao pólo real

Analisando a Figura 4.36, verifica-se que a condição de módulo do lugar das raízes é dada

por:

(

)

(4.38)

com C pequeno o suficiente para a sobreposição de efeitos entre p

e z ,onde:

CzA +=

(4.39)

−=

(4.40)

O valor de z que atende a condição de módulo dada pela Equação 4.38, obtido a partir das

Equações 4.39, 4.40 e 4.38, é dada por:

0323

223













−−+













−+













−+− CKC

zCz

mmm

τττ

(4.41)

O valor de C foi fixado em 0,00000005, adotado de forma a permitir um ajuste de K

, se

necessário, garantindo a sobreposição de efeitos entre o pólo real p

e o zero z. Da Equação

METODOLOGIA

103

4.41 fixa-se K

= 179 e definem-se os possíveis valores de z que satisfazem a condição de

módulo do lugar das raízes como sendo:











−

0019.0

0213.24

De onde se adota z = -0,0019, considerando a análise da Figura 4.36, de forma a garantir que

os pólos complexos p

e p*

desejados permaneçam próximos aos valores definidos

inicialmente, ou seja, de 10 ± 7,5i. Substituindo K

= 179 e z = -0,0019 na Equação

característica do sistema e calculando as raízes, são obtidos os valores:

0019.0

89.501.12

−=

−−=

−

Os ganhos do controlador PI são

Kp = 15,7

Ki = 0,03

A resposta ao degrau unitário para o sistema em malha fechada com os ganhos do PI

calculados é mostrada na Figura 4.37 e apresenta um percentual de overshoot de

aproximadamente 0% e uma constante de tempo de 0,15 seg. A Tabela 4.6, mostra os valores

estabelecidos e os valores encontrados no projeto do controlador PI para fins de análise.

TABELA 4.6 - Valores comparativos - estabelecido x encontrado

METODOLOGIA

104

FIGURA 4.37 - Resposta do sistema para z = -0,0021

O controlador foi projetado para tempo contínuo. No entanto, para se implementar qualquer

controle em um DSP é necessário que esse tipo de controle seja digital. Para digitalizar o

sistema controlado foi utilizada a aproximação retangular em que se considera a aproximação

dada pela equação:

( ) ( )

∫

++=

KdKteKtu

dtip

(4.42)

Onde, t é o intervalo de amostragem, o qual é selecionado de 10 a 20 vezes menor que a

constante de tempo do sistema para não haver perda de informação sobre a dinâmica

(Nekoogar, 1999), devendo-se desprezar a parte derivativa. Como τ

= 0,0416 (seção 4.4.2),

T = τ

/ 10 = 0,001 segundos.

Para discretizar assume-se o tempo de amostragem como sendo a aproximação retangular

fácil de ser utilizada e produzindo resultados satisfatórios (Persechini, 2004). Para a solução

da parte integral realiza-se o somatório de pequenos retângulos.

METODOLOGIA

105

As Figuras 4.38 e 4.39 apresentam o modelo do controlador DSP, simplificado e

implementado, respectivamente.

Figura 4.38 - Modelo simplificado do DSP

Figura 4.39 - Modelo do DSP implementado

A resposta do modelo em malha fechada a um degrau unitário a partir do modelo da Figura 4.39

é apresentado na Figura 4.40, sendo aplicado um degrau de 180°, partindo da condição inicial de

20° e atingindo a condição final de 200°. Pode-se observar um overshoot pequeno e a

estabilização na posição de referência do controlador em um tempo inferior a 200 ms.

METODOLOGIA

106

10 11 12 13 14 15 16

100

150

200

250

Tempo [s]

Posição angular [°]

Sistema em Malha Fechada - Resposta do modelo ao degrau de entrada

Posição de referência para o controlador

Posição do ressonador

Figura 4.40 - Resposta do modelo do sistema em malha fechada ao degrau de entrada

4.3 Metodologia dos testes em Banco de Fluxo e dinamômetro de bancada

4.3.1 Metodologia dos testes em Banco de Fluxo

A primeira etapa dos experimentos foi realizada no banco de fluxo, o qual permite simular as

condições de escoamento nos sistemas de admissão de um motor de combustão interna. O

banco de fluxo produz uma depressão constante entre a atmosfera e um grande reservatório

ligado à seção de testes. A depressão é gerada por meio de um soprador de grande porte.

Reproduz-se o movimento das válvulas através de um motor elétrico acoplado ao eixo de

comando de válvulas, por meio de uma correia dentada. O banco de fluxo utilizado neste

trabalho pode ser visto na Figura 4.41 e permite o estudo do escoamento em regime

permanente ou transiente. Variáveis como vazão mássica, pressão, temperatura e velocidade

de rotação do eixo comando de válvulas podem ser obtidas (Hanriot, 2001). O reservatório ao

qual a seção de testes é conectada tem capacidade de 350 litros, e é utilizado para atenuar os

pulsos de pressão produzidos pelas válvulas de admissão.

METODOLOGIA

107

FIGURA 4.41 – Fotografia mostrando uma vista geral do banco de fluxo

A Figura. 4.42 mostra o esquema do banco de fluxo montado no Laboratório de

Fluidodinâmica Aplicada da PUC Minas. No esquema é mostrada a entrada ou saída de ar, de

acordo com a sua operação, a seção de testes, o cabeçote do motor de combustão interna, a

ordem em que o sistema é distribuído, o insuflador, o conjunto de tubulações e válvulas

mecânicas e elétricas, o motor elétrico que aciona o cabeçote, o sistema de lubrificação e os

dois tanques de equalização e amortecimento de oscilações de pressão. Os componentes deste

sistema são especificados nos próximos itens.

O insuflador, principal componente do banco, é um equipamento capaz de admitir ar do

exterior quando operado no processo de descarga dos gases, e admitir do interior da sala

quando operado no processo de admissão dos gases. O insuflador tem como característica a

capacidade de insuflar até 600 m

/h de ar a uma pressão manométrica máxima de 0,7 bar.

METODOLOGIA

108

FIGURA 4.42 – Esquema geral do banco de fluxo

4.3.1.1 Procedimentos para os testes em Banco de Fluxo

Os procedimentos foram implementados a partir dos testes realizados no Centro de Pesquisas

da Fiat, na Itália, e adaptados para o banco de fluxo (Hanriot, 2001). Os testes são iniciados

com a sala do banco de fluxo a 20ºC, sendo obtida esta temperatura com o sistema de

condicionamento de ar ligado pelo menos uma hora antes do início dos testes. Pode-se

observar na Figura 4.43 o comportamento da temperatura ao longo de um teste com duração

de 120 minutos. As válvulas manuais e motorizadas são selecionadas para condição de

operação aspirada e utilização do medidor laminar de vazão.

Para os experimentos realizados no Banco de Fluxo foram necessárias definições dos testes

com apenas o cabeçote do motor e duto reto, com o motor parcial e duto reto, com o cabeçote

e o sistema de admissão completo, assim como a definição da posição de inserção do

ressonador e as influências da geometria do ressonador. Testes estáticos e dinâmicos com o

ressonador eletrônico também foram realizados. Todos os procedimentos são abordados a

seguir detalhadamente.

METODOLOGIA

109

FIGURA 4.43 - Variação da temperatura em função do tempo na

realização de um teste experimental no banco de fluxo

4.3.1.2 Determinação das dimensões do conduto de admissão de tubo reto

Foi adotado um tubo de comprimento de 2000 mm, caracterizado pelo escoamento similar aos

utilizados em automóveis (Hanriot 2001). A análise para determinação do conduto de

admissão reto é justificável pela complexidade da geometria do sistema de admissão nos

automóveis em razão da pouca disponibilidade de espaço para o conjunto moto-propulsor no

compartimento dianteiro dos automóveis.

Como o eixo comando das válvulas possui a metade da rotação do motor, a variação da

rotação do eixo comando das válvulas foi de 200 a 2500 rev/min, que corresponde a 3,33 e

41,67 Hz, respectivamente. Motores de baixas cilindradas requerem torque em baixas

rotações. Portanto, o estudo de ressonância para maximização da eficiência nestes motores

deve ocorrer num regime de rotação entre 2000 e 3000 rev/min (do motor), em regime de

rotação das válvulas de 16,67 a 25 Hz.

Considerando a velocidade do som de 343,4 m/s, para uma temperatura média do Banco de

Fluxo de 20 °C, o diâmetro interno de 12,7 mm e as Equações 3.13 e 3.14, as Tabelas 4.7 e

METODOLOGIA

110

4.8 expressam os valores das várias freqüências de ressonância (em Hz) para o duto. Neste

caso, uma das extremidades é considerada sempre aberta (lado aberto para a atmosfera) e a

outra extremidade aberta ou fechada, condições que permanecem intermitentes pela dinâmica

do sistema de admissão, devido a ser um motor de 4 tempos, onde a válvula de admissão

permanece aberta apenas na fase de admissão de cada cilindro e o ciclo motor acompanha a

ordem dos cilindros 1-3-4-2. Desta forma, o duto do sistema de admissão permanece ¾ do

tempo com uma extremidade aberta e outra fechada e ¼ do tempo com as duas extremidades

abertas.

TABELA 4.7 - Freqüências de Ressonância para o Conduto, Fechado na Extremidade

Freqüência (Hz)

Fundamental 1º Harmônico 2º Harmônico 3º Harmônico 4º Harmônico

comprimento

do tubo

(mm)

f1 (Hz) f2 (Hz) f3 (Hz) f4 (Hz) f5 (Hz)

2.000 41,03 123,75 205,25 288,75 371,25

TABELA 4.8 - Freqüências de Ressonância para o Conduto, Aberto na Extremidade

Freqüência

Fundamental 1º Harmônico 2º Harmônico 3º Harmônico 4º Harmônico

comprimento

do tubo

(mm)

f1 (Hz) f2 (Hz) f3 (Hz) f4 (Hz) f5 (Hz)

2.000 82,05 154,12 245,18 328,24 410,30

Estes dados tabelados são importantes para verificar se existe alguma relação entre a

freqüência de ressonância do duto (considerando o aberto nas extremidades ou fechado em

uma extremidade e abertura na outra) com a freqüência das válvulas e do pistão e a influência

posterior da inserção do ressonador.

METODOLOGIA

111

4.3.1.3 Influência da abertura e fechamento das válvulas no comportamento da onda de

pressão

A análise da variação da vazão mássica e da pressão no escoamento transiente ocasionado

pelo movimento das válvulas de admissão foi realizada com apenas um cilindro em operação

para a visualização dos fenômenos de onda gerados apenas pelas válvulas. A montagem do

cabeçote do motor com a válvula de admissão conectado ao conduto reto dimensionado, como

apresentado na Figura 4.44, será utilizado como referência para os testes. Posteriormente

serão realizados os testes com o sistema de admissão completo e depois com a inserção dos

ressonadores.

FIGURA 4.44 - Foto da configuração cabeçote acionado pelo motor elétrico

(sistema de referência)

O objetivo dessa análise é o estudo da influência dos pulsos de pressão na abertura e

fechamento das válvulas. O cabeçote do motor foi conectado ao tanque de equalização por

meio de um acoplamento e o motor elétrico foi acoplado à polia do comando de válvulas no

cabeçote por meio de um conjunto polia correia dentada, como pode ser observado no

desenho esquemático da Figura 4.45. Para as medições de pressão foram utilizados

METODOLOGIA

112

transdutores de pressão piezoresistivos, inseridos próximo à porta da válvula e em várias

posições do conduto de admissão. Na Figura 4.46 é mostrada a distribuição dos sensores.

Esta montagem permite o estudo da onda de pressão gerada no coletor apenas pelo

fechamento e abertura da válvula de admissão. Uma análise para um comprimento de

2000 mm de conduto reto foi realizada para regimes de funcionamento do motor entre

200 e 3000 rev/min do eixo comando de válvulas.

Esta configuração com apenas um cilindro e conduto de admissão de tubo reto foi importante

para avaliar o fenômeno da onda de pressão e foi considerada como referência.

FIGURA 4.45 - Esquema da bancada considerando apenas a influência das válvulas

Sistemas com o mesmo cabeçote, mas com o duto de admissão completo, outras

configurações de dutos, outros tipos de ressonadores e filtros de ar serão avaliados

posteriormente.

METODOLOGIA

113

FIGURA 4.46 - Esquema da instalação e distribuição dos sensores

4.3.1.4 Influência do movimento das válvulas e dos pistões na onda de pressão no

conduto reto de admissão para o motor funcionando com um cilindro

O estudo da influência dos pulsos de pressão gerados pelo movimento do conjunto válvula e

pistão, na vazão de ar para o cilindro foi realizado em Rodríguez 2006. O acionamento do

motor de combustão interna é realizado pelo motor elétrico que aciona o eixo comando de

válvulas através de uma correia dentada.

A Figura 4.47 apresenta a foto do motor montado no Banco de Fluxo. A Figura 4.48 mostra o

esquema da montagem completa do sistema, indicando a posição dos componentes. Os testes

para essa condição foram realizados com a rotação variando de 200 até 3000 rev/min do eixo

comando de válvula, por problemas estruturais da montagem.

METODOLOGIA

114

FIGURA 4.47 - Foto da configuração motor acionado pelo motor elétrico

A Figura 4.49 mostra em detalhe a montagem do motor ao banco de fluxo com o duto reto

partindo da válvula de admissão. O duto de descarga é ligado ao plenum do banco de fluxo

por meio de uma mangueira, sem a válvula de descarga, onde é realizada a ligação com o

insuflador do Banco de Fluxo.

Tanque de Equalização

Motor Elétrico

Tubulação em PVC

Sensores

de pressão

Motor

FIGURA 4.48 - Esquema da montagem do motor no banco de fluxo

METODOLOGIA

115

FIGURA 4.49 - Detalhe do acoplamento do motor elétrico ao motor de combustão interna

4.3.1.5 Influência da posição do ressonador na onda de pressão no conduto reto de

admissão

Esta etapa envolve a inserção de um ressonador em diferentes pontos do conduto reto do

sistema de admissão de um motor de combustão interna. Esta análise tem o objetivo de

verificar o efeito da absorção das ondas de pressão pelo ressonador na dinâmica do

escoamento de ar no conduto. O ajuste dos pulsos de pressão que chegam a porta da válvula

no momento em que está em processo de fechamento foram estudados, com a finalidade de

maximizar o rendimento volumétrico.

Foi utilizado um ressonador de Helmholtz que permitia variar os parâmetros geométricos, de

forma a obter a modificação da freqüência de ressonância. O ressonador foi inserido em

quatro posições, a partir da entrada do conduto de admissão (120, 720, 1100 e 1480 mm) e

ajustado para a freqüência de ressonância de 20 Hz, correspondente a 1200 rpm.

METODOLOGIA

116

As Figuras 4.50 e 4.51 mostram o esquema e uma foto, respectivamente, da montagem com as

posições em que foi inserido o ressonador. Como mostrado por Nishio (1991), Kostun (1994),

Hanriot (2001) e Rodríguez (2006), a melhor posição encontrada foi a localizada nas

proximidades da válvula de admissão.

FIGURA 4.50 - Ressonador de Helmholtz no tubo reto

FIGURA 4.51 - Posicionamento do Ressonador e detalhes do tubo linear de admissão

Ressonador

METODOLOGIA

117

4.3.1.6 Estudo da influência da geometria do ressonador

Foram utilizadas três geometrias de ressonador com o intuito de testar a influência da no

comportamento da onda de pressão. Foram utilizados este teste um ressonador de pistão

(cilindro), um ressonador de palheta e um ressonador com forma de cubo, mostrados na

Figura 4.52.

Testes de vazão e pressão realizados no Banco de Fluxo comprovam que não há influência da

forma geométrica do ressonador no comportamento da onda de pressão e na vazão do sistema.

A Figura 4.52 mostra o modelo dos três ressonadores utilizados nos testes. O ressonador de

pistão foi fixado no curso de 150 mm, obtendo um volume de 2,65 litros. O ressonador de

palheta foi fixado com um ângulo entre as palhetas de 168 graus e o ressonador em forma de

cubo confeccionado com 138 mm de lado. Estes ressonadores na mesma posição foram

utilizados num sistema com o cabeçote montado no banco de fluxo a admissão original

completa.

FIGURA 4.52 – Modelo dos três ressonadores de geometrias diferentes

METODOLOGIA

118

4.3.1.7 Estudo do sistema de admissão completo sem o ressonador

O estudo das freqüências dos componentes associados e os testes com o sistema de admissão

completo (configurações com duto, ressonador e filtro de ar) foram realizados primeiramente

sem o ressonador com o objetivo de compreender as influências de cada componente sobre as

ondas de pressão.

A freqüência de todos os componentes individuais também foi avaliada. Segundo Benajes

(1997), o modelo que representa um sistema de admissão com quatro tubos primários, um

plenum intermediário e um tubo secundário, é dado por:

cot

tan4

−=

(4.43)

onde:

w = freqüência angular (rad/s);

c = velocidade do som (m/s);

= comprimento primário (m);

= comprimento secundário (m);

= área da seção transversal – tubo primário (m

);

= área da seção transversal – tubo secundário (m

);

V = volume do plenum intermediário (m

A Figura 4.53 mostra o modelo do cabeçote e coletor de admissão utilizado para os testes,

onde são destacados os dutos dos cilindros 1 e 2 das válvulas de admissão, até o plenum

intermediário.

METODOLOGIA

119

Figura 4.53 – Modelo do coletor de admissão com o cabeçote do motor.

Para a configuração original do motor (Figura 4.53) foi avaliada a geometria do sistema de

admissão utilizada nos testes de banco de fluxo e nos testes de dinamômetro de bancada. A

Tabela 4.9 mostra a rotação do motor e as freqüências de ressonância utilizadas.

TABELA 4.9 - Variação da freqüência de ressonância

Freqüência de ressonância

(Hz)

Rotação do motor (rev/min)

4 válvulas 1 válvula

107,8765 6472,589 1618,147

76,28019 4576,811 1144,203

62,28251 3736,951 934,2377

53,93824 3236,294 809,0736

48,24383 2894,63 723,6574

44,04039 2642,423 660,6058

40,77348 2446,409 611,6021

38,14009 2288,406 572,1014

35,95883 2157,53 539,3824

34,11354 2046,812 511,7031

32,52598 1951,559 487,8897

31,14126 1868,475 467,1189

METODOLOGIA

120

Para o cálculo da Freqüência do sistema de admissão, a solução da freqüência angular da

equação não é explícita e pode ser obtida através de um cálculo iterativo introduzindo os

valores dimensionais do coletor de admissão. O valor numérico de

representa a freqüência

natural de todo o coletor de admissão e das válvulas até a extremidade aberta do coletor de

admissão.

A Figura 4.54 apresenta os desenhos da linha de centro da entrada da válvula ao plenum do

coletor de admissão e o diâmetro médio em secções eqüidistantes ao longo do duto, sendo o

comprimento do duto do cilindro 1 no coletor de admissão igual a 379,44 mm, o comprimento

do duto 1 no cabeçote igual a 85,01 mm, obtendo-se um comprimento total de 464,45 mm. A

área da seção média do conduto é de 1060 mm

e o volume do plenum é de 1798162,5mm

A Figura 4.55 mostra o modelo do conduto e a linha de centro da borboleta a mangueira

flexível, sendo o comprimento de 361,28 mm e a área da seção média é 2493,65 mm

Figura 4.54 – Desenho da linha de centro da entrada da válvula ao plenum do coletor de

admissão e os diâmetro médio em secções eqüidistantes ao longo do duto

METODOLOGIA

121

Figura 4.55 – Modelo do conduto e a linha de centro da borboleta a mangueira flexível

A Figura 4.56 apresenta o modelo da mangueira flexível e a linha de centro do conduto ao

filtro de ar, sendo o comprimento da mangueira igual a 210,00 mm. A área da seção média é

de 2467,13 mm

Figura 4.56 – Modelo da mangueira flexível e a linha de centro do conduto ao filtro de ar

METODOLOGIA

122

Figura 4.57 – Modelo do filtro de ar

A Figura 4.57 mostra o modelo do filtro de ar. O modelo e a linha média do duto de entrada

do filtro de ar são apresentados na Figura 4.58. O volume do filtro de ar é 6677087,475 mm

O comprimento do duto de entrada é de 267,13 mm e a área da seção transversal é 1572, 79

Figura 4.58 – Modelo e a linha média do duto de entrada do filtro de ar

METODOLOGIA

123

Para a solução da Equação 4.43 foi realizado um programa em Matlab para o cálculo da

freqüência fundamental do sistema de admissão. Os dados de entrada para o cálculo da

Equação 4.43 foram L

igual a 460,00 mm, L

igual a 571,28 mm, a igual a 340000 mm/s, A

igual a 1020,00 mm

, A

igual a 2200mm

e V

pleno

= 1798162,5 mm

. O valor de freqüência

natural do sistema de admissão utilizado é de 51.56 Hz.

4.3.1.8 Estudo da vazão com a inserção do ressonador de volume variável

Os testes de vazão de ar foram realizados no banco de fluxo apenas com o cabeçote montado

para toda a faixa de rotação do motor e comparados os resultados com os valores de

referência calculados para o sistema de admissão completo, segundo a metodologia de

Benajes (1997). As Figuras 4.59 e 4.60 mostram a montagem no Banco de Fluxo para os

testes do sistema de admissão original e com a inserção do ressonador de volume variável,

respectivamente.

Figura 4.59 – Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo com o sistema de admissão original

METODOLOGIA

124

Figura 4.60 – Montagem do cabeçote no Banco de Fluxo

com o sistema de admissão original e a inserção do ressonador de palheta

Para as medições de pressões dinâmicas no conduto de admissão foram utilizados

transdutores de pressão no conduto de admissão e no interior do ressonador, com faixa de

operação de –1 a 3 bar. A Figura 4.61 mostra a posição da instalação do transdutor de pressão,

próximo à borboleta de controle de carga do motor, mesmo ponto do conduto que o

ressonador de palheta foi instalado.

METODOLOGIA

125

Figura 4.61 – Posição da instalação do transdutor de pressão no conduto de admissão

4.3.2 Metodologia experimental dos testes em Dinamômetro de Bancada

Dois motores foram utilizados neste trabalho, sendo os pré-testes realizados no laboratório de

motores da PUC Minas com o motor FIRE 1242 cm

e o motor FIRE 1368 cm

para os testes

realizados na FPT Powertrain tecnologies, permitindo assim obter as curvas características e o

mapa de desempenho do motor.

O motor que possui tecnologia Flex, de 1368 cm

de volume total deslocado, de quatro

tempos, com razão de compressão de 10,35 ± 0,15 na configuração original do fabricante,

com sistema eletrônico semi-seqüencial de ignição e injeção multiponto, com eixo de

comando de válvulas no cabeçote e sistema de alimentação de combustível a pressão

constante de 3,5 bar foi montado com todos os seus componentes originais no dinamômetro

de bancada para a realização dos testes. Foi instalado o sistema de injeção eletrônico da

Magneti Marelli IAW 4AF com o sistema de arrefecimento do dinamômetro, o sistema de

alimentação de combustível, o circuito de recuperação dos vapores de combustível e o sistema

de descarga do motor. A Figura 4.62 mostra o motor preparado sobre a estrutura para

acoplamento no dinamômetro.

METODOLOGIA

126

FIGURA 4.62 - Motor 1368 cm

preparado sobre a estrutura

para ser acoplado ao dinamômetro

O dinamômetro hidráulico utilizado nos pré-testes no laboratório de motores da PUC Minas é

mostrado na Figura 4.63. Trata-se do dinamômetro marca Heenan e Froude, tipo G4-1,

modelo E, número B59045, com capacidade máxima de 350 cv de potência absorvida e

rotação máxima de 6000 rev/min. O dinamômetro de corrente elétrica utilizado na FPT

Technologies é da marca Borghi e Saveri, tipo Eddy Current Dynamometer, modelo FE 150S,

com capacidade máxima de 150 cv de potência absorvida de 235 N.m de torque máximo e

rotação máxima de 13000 rev/min. Este dinamômetro é mostrado na Figura 4.64.

METODOLOGIA

127

FIGURA 4.63 – Montagem do motor no dinamômetro hidráulico – PUC Minas

FIGURA 4.64 – Montagem do motor no dinamômetro elétrico – FPT

METODOLOGIA

128

Os testes de desempenho foram realizados em condições de plena carga de acordo com a

norma NBR ISO 1585, 1996, que determina que a borboleta do acelerador deve ficar

totalmente aberta. O motor deve ser acelerado conjuntamente com aplicação de carga até

atingir plena carga e então os testes são realizados para uma faixa de rotação de 1500 a 6000

rev/min com incrementos de 250 a 500 rev/min, através da regulagem da carga no

dinamômetro. As medições foram obtidas em cada posição após a estabilização do motor e da

instrumentação.

Os testes realizados na PUC Minas têm o objetivo de avaliar o motor e o dinamômetro e a

resposta da inserção do ressonador no conduto de admissão. Para isto foram testadas as

configurações definidas no Banco de Fluxo. Para avaliar o dinamômetro da PUC Minas foi

realizado uma comparação com o laboratório de motores do CETEC com o mesmo motor.

Os testes realizados no dinamômetro da FPT Powertrain Tecnologies têm o objetivo de

avaliar os parâmetros de desempenho. Para isto, foi realizado o teste referência com o motor

FIRE 1368 cm

sem a variação do comando de válvulas, com a variação do volume do

ressonador, ressonador no conduto de admissão antes da borboleta, ressonador no plenum do

coletor de admissão, depois da borboleta.

Simulações das curvas maximizadas com o ressonador eletrônico também foram realizadas.

Todos os procedimentos são abordados a seguir detalhadamente.

4.3.2.1 Metodologias utilizadas nos pré-testes realizados no dinamômetro da PUC Minas

O primeiro teste no dinamômetro de bancada do laboratório de motores da PUC Minas foi

com o sistema de referência, sem ressonador, para validar o dinamômetro a partir dos dados

de desempenho obtidos no laboratório do CETEC. Todos os testes foram realizados com o

mesmo motor.

Na seqüência foram avaliadas as freqüências de resposta do ressonador com a variação das

dimensões do pescoço, para verificar e dimensionar o comprimento ideal. A Figura 4.65

mostra o sistema montado com o ressonador de pistão com um pescoço de 560 mm.

METODOLOGIA

129

FIGURA 4.65 - Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm

e ressonador com pescoço de 560 mm de comprimento

Após a definição do comprimento do pescoço em 170 mm, todos os testes experimentais

foram realizados com esta configuração. A Figura 4.66 mostra o sistema montado com o

ressonador de pistão com um pescoço de 170 mm.

Já a Figura 4.67 apresenta a montagem do motor com o ressonador inserido no conduto de

admissão. O ressonador possui o comprimento de pescoço de 170 mm, a Figura mostra

também a posição do transdutor de pressão no conduto de admissão. Na Figura 4.68 é

mostrada a posição dos transdutores de pressão no interior do ressonador, está instalado sobre

o pistão, movimentado junto com o deslocamento do pistão.

METODOLOGIA

130

FIGURA 4.66 - Teste na bancada dinamométrica com motor 1.242 cm

e ressonador com pescoço de 170 mm de comprimento

FIGURA 4.67 – Posicionamento do pescoço do ressonador e

do sensor de pressão no conduto de admissão

METODOLOGIA

131

FIGURA 4.68 – Posicionamento do sensor de pressão no interior do ressonador

4.3.2.2 Metodologia utilizada nos testes em dinamômetro elétrico da FPT

A segunda fase dos testes foi realizada em bancada dinamométrica do Laboratório de motores

da FPT Powertrain Technologies com o motor de produção 1368 cm

mostrado na

Figura 4.62. Para cada rotação selecionada foram efetuadas 3 medições. As medições de

pressão foram feitas com uma freqüência de aquisição de 2,4 kHz, durante 4 segundos.

Através desses dados pode ser feita a análise do sinal de pressão no duto de admissão. Como

já ressaltado, o teste de referência para toda a metodologia foi com a configuração VVT 0

(sem ressonador).

No teste realizado com o motor original, denominado teste VVT 0, o comando de válvulas de

admissão foi posicionado em zero graus, pois o motor possui comando de válvulas variável. O

diagrama de válvula do motor testado é mostrado na Figura 4.69 e a diagramação das válvulas

não se modifica para todos os testes obtidos com as alterações propostas neste trabalho. A

válvula de admissão abre 7° antes do PMS e fecha 41 após o PMI, já a válvula de descarga

abre 57° antes do PMI e fecha 9° antes do PMS, não havendo cruzamento de válvulas.

METODOLOGIA

132

Figura 4.69 – Diagrama de válvula do motor VVT 0

O dinamômetro de bancada utilizado nos experimentos é um dinamômetro de absorção

passivo, princípio de funcionamento elétrico, torque máximo de frenagem 235 N.m e potência

máxima de frenagem 111,9 kW (150 cv). O dinamômetro encontra-se instalado no interior de

uma cabine isolada acusticamente, com temperatura e umidade controlada. Também o sistema

de exaustão dos gases do motor e o sistema de ar de admissão do motor possuem temperatura

controlada. Um sistema composto por trocadores de calor e eletro válvulas gerenciados por

um controlador via software dedicado de gestão do dinamômetro permite o ajuste programado

das temperaturas da água de arrefecimento e do óleo lubrificante do motor.

Os testes se iniciam com o motor em sua configuração original de produção, sendo esta a

condição de referência para a configuração com a inserção do ressonador. As curvas de

torque, potência, consumo específico, pressão no filtro de ar e no coletor de admissão foram

obtidas para esta condição de referencia. Os valores de avanço de ignição, valores de lambda

e temperatura no catalisador também foram monitorados para comparar as condições de

METODOLOGIA

133

prova. Todas as curvas são levantadas com o motor em plena carga, com uma pressão no

coletor estabilizada em 900 mbar.

Para as provas com o ressonador, os mesmos parâmetros da configuração foram medidos,

acrescentando a pressão no interior do ressonador. As Figuras 4.70 e 4.71 apresentam a

posição de inserção do ressonador no sistema de admissão, entre a borboleta e o filtro e no

plenum entre a borboleta e a porta das válvulas de admissão, respectivamente. Essas provas

foram realizadas com o ressonador de pistão com o curso variando entre 50 e 250 mm ou 0,88

e 4,42 litros, Sendo que a cada 50 mm ou 0,88 litros obtinham-se todas as curvas de

desempenho do motor em plena carga.

As Figuras 4.72 e 4.73 mostram o motor montado no dinamômetro de bancada com os

detalhes da configuração do ressonador inserido no plenum do coletor de admissão.

FIGURA 4.70 - Local de inserção do ressonador no conduto de admissão

METODOLOGIA

134

FIGURA 4.71 - Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de admissão

FIGURA 4.72 - Local de inserção do ressonador no plenum do coletor de admissão

METODOLOGIA

135

FIGURA 4.73 – Montagem do motor com a inserção do ressonador

no plenum do coletor de admissão no dinamômetro

5. RESULTADOS E ANÁLISES

5.1 Introdução

Nos resultados são apresentados os parâmetros experimentais obtidos no Banco de Fluxo e no

dinamômetro de bancada,.. Para os testes no Banco de Fluxo do Laboratório de Motores da

Puc Minas e no dinamômetro de bancada Laboratório de motores da FPT Powertrain

Technologies utilizado foi utilizado o motor Flex de 1368 cm

. A vazão mássica e o

comportamento da pressão no coletor de admissão são obtidas em banco de fluxo utilizando

um duto de admissão reto. Testes sem e com o ressonador em várias posições, considerando o

movimento das válvulas e dos pistões são realizados em várias condições de rotação. Testes

com o sistema de admissão real do motor são também realizados no Banco de Fluxo.

Em todas as análises realizadas em Banco de Fluxo e dinamômetro de bancada, foram levadas

em consideração as incertezas máximas envolvidas para cada grandeza, conforme descrito no

Apêndice I. Contudo, apenas alguns resultados são exibidos com barras de incerteza nos

gráficos, para não encobrir os demais resultados experimentais. O Apêndice II descreve os

resultados da validação do sistema de controle de posição do ressonador eletrônico de palheta.

Os testes no dinamômetro do Laboratório de Motores da Puc Minas foram realizados com o

motor Flex de 1242 cm

são apresentados no Apêndice III, foram considerados pré-testes.

5.2 Testes realizados no Banco de Fluxo

5.2.1 Resultados do comportamento da vazão de ar

Esta análise também foi realizada por Hanriot (2001), Pereira (2004) e Rodríguez (2006) para

definir e entender o fenômeno da geração de ondas de pressão provocado pelo movimento

alternativo das válvulas de admissão. A Tabela 5.1 apresenta as características dos quatro

experimentos. Em todos os experimentos, apenas o cabeçote foi montado no banco de fluxo

junto com as válvulas de admissão do primeiro cilindro.

RESULTADOS E ANÁLISES

137

TABELA 5.1 – Características dos testes realizados no Banco de Fluxo

Características do motor * Hanriot, 2001

Pereira, 2004 Rodrigues, 2006 Pereira, 2008**

Modelo do motor FIASA 1.0 FIRE 1.0 FIRE 1.3 FLEX FIRE 1.4 FLEX

Cilindrada (cm

) 994 999 1242 1368

Número de válvulas 8 16 8 8

Cilindro avaliado 1 1 1 1

Comprimento do conduto reto

(mm) 2000 2000 2000 2000

Diâmetro do conduto (mm) 31 31 25,4 25,4

Diâmetro da válvula de

admissão (mm) 36,4 26,8 31,3 32,7

Levante da válvula de

admissão (mm) 8,5 7,5 9 8

Permanência da válvula de

admissão aberta (graus)*** 218,5 205 223 228

* Testes realizados apenas com o cabeçote no Banco de Fluxo.

** Teste realizado no presente trabalho.

*** Ângulo do eixo virabrequim.

A Figura 5.1 mostra a variação da vazão mássica em função da rotação do eixo comando de

válvulas para o sistema de admissão utilizado no presente trabalho e o obtido nos demais

trabalhos. Todas as curvas possuem a mesma característica de picos e vales que mais

sobressaem, pois estas amplitudes dependem do comprimento equivalente do conduto de

admissão utilizado, sendo todos os experimentos realizados com duto reto de 2000 mm sem

ressonador. No entanto, o diâmetro do conduto de admissão não afeta a fase da onda de

pressão, mas apenas a sua amplitude. As diferenças entre os valores de vazão mássica estão de

acordo com a iteração das características de cada cabeçote, tais como, diâmetro, levante e

permanência de abertura das válvulas de admissão. Pode ser observado em todos os

experimentos um vale em 1200 rev/min e um pico em 1600 rev/min devido à freqüência do

conduto.

RESULTADOS E ANÁLISES

138

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

Hanriot, 2001 Pereira, 2004 Rodrigues, 2006 Pereira, 2008

FIGURA 5.1 - Comportamento da vazão obtida em Banco de Fluxo em função da rotação do

eixo comando de válvulas para os quatro experimentos realizados

Os resultados obtidos nos quatro experimentos mostram que a instrumentação utilizada é

adequada e que é possível a continuidade dos estudos para situações mais críticas do

escoamento. Porém, vale ressaltar que os testes em Banco de Fluxo não representam os

valores de vazão e pressão de um motor de combustão interna no dinamômetro de bancada.

5.2.2 Resultado do comportamento da onda de pressão gerada no conduto de admissão

pelo movimento da válvula de admissão (configuração cabeçote)

As Figuras 5.2 e 5.3 mostram a pressão na posição P1 na porta da válvula de admissão e a

pressão no plenum em função do ângulo do eixo comando de válvulas para uma rotação de

1200 rev/min e 1600 rev/min, respectivamente, considerando apenas o movimento das

válvulas e um conduto reto de 2000 mm.

Nota-se que a pressão no plenum é constante, sendo apenas a pressão em P1 variável. Nas

Figuras 5.2 e 5.3 é mostrado também o ângulo de abertura fluidodinâmico. Nestes casos, a

vazão é influenciada pelo gradiente de pressão entre a válvula e o plenum e pelos efeitos

transientes gerados no conduto pela válvula de admissão (fonte excitante).

RESULTADOS E ANÁLISES

139

FIGURA 5.2 – Variação da pressão com o ângulo do eixo comando

de válvulas para uma rotação de 1200 rev/min para a configuração cabeçote

FIGURA 5.3 – Variação da pressão com o ângulo do eixo comando

de válvulas para uma rotação de 1600 rev/min para a configuração cabeçote

Observando-se as Figuras 5.2 e 5.3 respectivamente, nota-se que a área entre as duas curvas

de pressão, delimitada entre o ângulo de abertura fluidodinâmico, é diferenciada e

proporcional às curvas de vazão (Figura 5.1). O ponto de baixa vazão em 1200 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

140

representa uma menor área entre as curvas de pressão. Já para 1600 rev/min, corresponde a

um ponto de maior vazão, há um aumento da área entre as curvas de pressão delimitadas entre

o ângulo de abertura fluidodinâmico (Figura 5.3).

A comparação entre os resultados experimentais das curvas de vazão mássica em função da

rotação e da flutuação de pressão em função do ângulo do eixo comando mostra a localização

dos pontos de picos e vales de amplitudes de vazão nos condutos de admissão.

5.2.3 Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com motor monocilindro

Para determinar a influência do movimento das válvulas e dos pistões na vazão mássica,

realizaram-se testes com as válvulas e os pistões em movimento (Rodríguez, 2006). A Figura

5.4 mostra a variação da vazão mássica com a rotação do eixo comando de válvulas para o

motor montado no Banco de Fluxo, com apenas um cilindro e conduto reto de 2000 mm. Com

a instabilidade do motor a ser testado, causada pelo excesso de vibração, só foi possível

realizar os experimentos até 1.800 rev/min do eixo comando de válvulas. A Figura 5.4

também mostra, em forma de barras, a incerteza máxima da vazão, conforme descrito no

Apêndice I.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

FIGURA 5.4 – Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas para o

motor completo com duto reto montado no Banco de Fluxo

RESULTADOS E ANÁLISES

141

As Figuras 5.5 e 5.6 mostram a pressão na posição P1 na porta da válvula de admissão e a

pressão posição P2 no interior da câmara de combustão, medida por um transdutor de pressão

instalado no lugar da vela de ignição, para uma rotação de 1200 e 1600 rev/min,

respectivamente, considerando o movimento alternativo da válvula de admissão e do pistão

com um conduto reto de 2000 mm.

As rotações de 1200 e 1600 rev/min foram selecionadas por apresentarem valores de picos e

vales no comportamento da vazão apresentada na Figura 5.4, respectivamente. A área entre as

duas curvas de pressão, delimitada entre o ângulo de abertura fluidodinâmico, é diferenciada e

proporcional às curvas de vazão.

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Ângulo de eixo comando de válvulas (graus)

Pressão (bar)

Pressão P1

Pressão P2

Início da entrada de ar

Final da entrada de ar

FIGURA 5.5 - Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo comando

de válvulas para uma rotação de 1200 rev/min para a configuração motor

RESULTADOS E ANÁLISES

142

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,7

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Ângulo de eixo comando de válvulas (graus)

Pressão (bar)

Pressão P1

Pressão P2

Início da entrada de ar

Final da entrada de ar

FIGURA 5.6 - Comportamento da pressão em função do ângulo do eixo comando

de válvulas para uma rotação de 1600 rev/min para a configuração motor

5.2.4 Resultados do comportamento da vazão mássica e da onda de pressão

considerando a influência do movimento da válvula e do pistão com a presença do

ressonador de volume variável

Os parâmetros utilizados para a definição do ponto de inserção do ressonador foram

experimentais, a partir dos resultados das curvas de vazão mássica das várias posições

adotadas pelo ressonador. A vazão foi analisada para quatro posições do ressonador de pistão

com um volume fixo de 6,18 litros (curso do pistão em 350 mm e comprimento do pescoço

em 560 mm). A Figura 5.7 mostra o comportamento da vazão sem e com o ressonador para as

quatro posições do conduto de admissão, em função da rotação do eixo comando de válvulas

com o motor completo com o duto reto.

RESULTADOS E ANÁLISES

143

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

Sem ressonador Posição P1 Posição P2 Posição P3 Posição P4

FIGURA 5.7 - Comportamento da vazão sem e com o ressonador para as quatro posições

do conduto de admissão em função da rotação do eixo comando de válvulas

Quatro posições foram avaliadas a partir da porta da válvula de admissão, sendo estas

posições de 278 mm (P1), 878 mm (P2), 1.258 mm (P3) e 1.638 mm (P4). A maior vazão

ocorreu na posição de inserção do ressonador mais próxima da válvula de admissão,

semelhante aos dados obtidos por Nishio (1991), Kostun (1994), Hanriot (2001) e Rodríguez

(2006).

Nota-se que a freqüência teórica na qual acontece a maior eficiência do ressonador é de

1200 rev/min, sendo esta a freqüência de resposta do ressonador. Observa-se também um

ganho de vazão para as outras duas posições do ressonador mais perto da válvula e uma

redução da vazão para a posição mais afastada da válvula. É importante salientar que nesse

experimento, além de considerar um conduto reto de admissão, também foi considerada uma

condição de variação de pressão constante entre a atmosfera e o tanque de equalização de

pressão.

RESULTADOS E ANÁLISES

144

Motor completo com duto reto

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

Sem ressonador Posição P1

FIGURA 5.8 - Comportamento da vazão sem e com o ressonador para a posição de máxima

vazão em função da rotação do eixo comando de válvulas

A Figura 5.8 mostra o comportamento da vazão sem e com o ressonador na posição P1, em

função da rotação do eixo comando de válvulas, com as barras de máximas incertezas,

mostrando um ganho real de vazão com a inserção do ressonador na posição P1. O maior

valor de vazão é de 17,8 g/s com o ressonador na posição P1, 40,6% maior que os 12,6 g/s

apresentados no experimento sem ressonador, representando um aumento real da vazão. Isto

acontece devido a freqüência de resposta do ressonador atingir 19,9 Hz, que corresponde a

1194 rev/min do eixo comando de válvulas, gerando uma ressonância no sistema de admissão,

que pode ser atribuída a um aumento da pressão no interior do ressonador.

O comportamento das pressões dentro do ressonador, para as rotações de 400, 600 e 1200

rev/min, é apresentado na Figura 5.9, onde a intensidade das flutuações de pressão significa

maior atuação do ressonador (maior eficiência). Observa-se, portanto, que para a rotação de

1200 rpm, rotação para a qual o ressonador foi sintonizado, as maiores amplitudes de pressão

são obtidas. Para as rotações de 400 e 600 rpm, amplitudes de pressão menores são

observadas.

RESULTADOS E ANÁLISES

145

0,6

0,7

0,8

0,9

1,1

1,2

1,3

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Ângulo do eixo comando de válvulas (graus)

Pressão (bar)

400 rev/min

600 rev/min

1200 rev/min

FIGURA 5.9 - Pressão no interior do ressonador para as rotações

de 400, 600 e 1200 rev/min do eixo comando de válvulas

O aumento do rendimento volumétrico com a presença do ressonador foi identificado por

meio do aumento de pressão no cilindro durante a permanência da válvula de admissão aberta.

O estudo da pressão dentro do cilindro é apresentado na Figura 5.10, onde é mostrado que no

período em que a válvula de admissão permanece aberta, as pressões obtidas nas diferentes

posições do ressonador são maiores que as obtidas para a configuração sem ressonador,

indicando maior entrada de massa de ar para o interior do cilindro e, conseqüentemente, maior

rendimento volumétrico. A Figura 5.10 também mostra que a pressão dentro do cilindro

tende a crescer mais rapidamente com a presença do ressonador. Isto pode ser observado pela

inclinação das curvas de pressão entre 180º e 270º do ângulo do eixo comando de válvulas.

Analisando a Figura 5.10 constata-se que a presença do ressonador, para a rotação em que ele

está atuando, gera o mesmo efeito de um sobre alimentador natural, aumentando a pressão no

interior do cilindro e, conseqüentemente, aumentando a massa de ar admitida no interior do

cilindro.

RESULTADOS E ANÁLISES

146

0,4

0,8

1,2

1,6

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Ângulo do eixo comando de válvulas (graus)

Pressão (bar)

P2 - Ressonador P1 P2 - Ressonador P2 P2 - Ressonador P3

P2 - Ressonador P4 Início da entrada de ar Fim da entrada de ar

Sem ressonador

FIGURA 5.10 – Pressão no interior do cilindro para as quatro posições do ressonador e para

a configuração motor com duto reto e sem ressonador para a rotação de 1200 rev/min

Para se determinar as freqüências que foram influenciadas a partir da inserção do ressonador

no sistema de admissão foi calculada a freqüência de todos os componentes e, por meio do

espectro de freqüência, foram avaliadas as freqüências ressonantes. A Figura 5.11 mostra a

análise espectral das curvas de pressão apresentada na Figura 5.10.

Analisando a Figura 5.11 constata-se que a inserção do ressonador alterou a amplitude do

espectro, mas as freqüências permaneceram as mesmas. Tanto a freqüência fundamental

como os harmônicos tiveram suas amplitudes aumentadas quando comparadas com o espectro

sem o ressonador. Em 40 Hz, ocorreu a sintonia ou interação entre a freqüência de

ressonância do tubo com 2000 mm de comprimento e a freqüência do ressonador com volume

de 6,18 litros. Esta amplitude tende a diminuir a medida que o ressonador é posicionado mais

próximo da extremidade do conduto, praticamente se igualando à amplitude obtida para a

configuração sem ressonador.

RESULTADOS E ANÁLISES

147

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 20 40 60 80 100 120 140

Freqüência (Hz)

Amplitude de pressão (bar)

Sem ressonador Posição P1 Posição P2 Posição P3 Posição P4

FIGURA 5.11 - Análise Espectral da Pressão no interior do Cilindro

com e sem o ressonador, motor com conduto reto nas quatro posições

5.2.5 Resultados do comportamento da vazão mássica considerando a influência do

movimento das quatro válvulas de admissão e do ressonador em um sistema de

admissão completo

Os experimentos com o sistema de admissão completo original do motor, filtro de ar,

condutos, borboleta e coletor de admissão foram realizados com as quatro válvulas de

admissão e funcionando somente o cabeçote no Banco de Fluxo. A Figura 5.12 mostra a

vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas para a configuração

cabeçote e sistema de admissão completo, bem como as barras gráficas da incerteza máxima

da vazão, conforme descrito no Apêndice I.

RESULTADOS E ANÁLISES

148

0 500 1000 1500 2000 2500

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

FIGURA 5.12 – Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas para a

configuração cabeçote com sistema de admissão completo montado no Banco de Fluxo

A Figura 5.13 mostra a vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas

para os cinco volumes do ressonador testados, sendo que com o volume de 3,53 litros se

obtêm as maiores vazões. Porém, quando se comparam os dados do experimento sem e com o

ressonador para um volume de 3,53 litros, os valores encontrados para os dois experimentos

são da mesma ordem de grandeza, como mostrado na Figura 5.14. Desta forma, as diferenças

encontradas são menores que as incertezas máximas obtidas nos dois experimentos.

Portanto, as diferenças de vazões apresentadas nos experimentos com o sistema de admissão

completo e com as quatro válvulas de admissão funcionando estão dentro da faixa de

incerteza do experimento, caracterizando que não há diferenças entre os resultados dos dois

experimentos.

RESULTADOS E ANÁLISES

149

0 500 1000 1500 2000 2500

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

ressonador - 4,42 litros ressonador - 3,53 litros ressonador - 2,65 litros

ressonador - 1,77 litros ressonador - 0,88 litros Sem ressonador

FIGURA 5.13 – Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas

para os cinco volumes do ressonador testados para o sistema de admissão completo

Foram realizados testes para verificar a influência das alterações da geometria do volume do

ressonador, comparando o ressonador de pistão, o ressonador de palheta e um ressonador em

forma de cubo. O ressonador de pistão foi fixado no curso de 150 mm, obtendo um volume de

2,65 litros. O ressonador de palheta foi fixado com um ângulo entre as palhetas de 168 graus e

o ressonador em forma de cubo confeccionado com 138 mm de lado.

A Figura 5.15 mostra a vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas

para as três geometrias do ressonador avaliadas. O experimento mostra que a geometria do

volume do ressonador não influencia na sua resposta, pois são da mesma ordem de grandeza.

O maior ganho foi de 0,5 g/s para a rotação de 400 rev/min, enquanto a incerteza máxima

apresentada é de 0,946 g/s. Por tanto as diferenças são menores que as incertezas máximas

obtidas no experimento.

RESULTADOS E ANÁLISES

150

0 500 1000 1500 2000 2500

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

ressonador - 3,53 litros Sem ressonador

FIGURA 5.14 – Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas

para a máxima vazão obtidas para o sistema de admissão completo sem ressonador

e ressonador com volume de 3,53 litros

0 500 1000 1500 2000 2500

Rotação do eixo comando de válvulas (rev/min)

Vazão mássica (g/s)

Ressonador de pistão Ressonador de palheta Ressonador - Cubo

FIGURA 5.15 – Vazão mássica em função da rotação do eixo comando de válvulas

para as diversas geometrias do volume do ressonador para o sistema de admissão completo

RESULTADOS E ANÁLISES

151

5.3 Testes realizados no dinamômetro de bancada

5.3.1 Introdução

Os resultados no dinamômetro foram obtidos para o motor funcionando com gasolina comum.

Os melhores resultados obtidos no dinamômetro com a sintonia dos volumes do ressonador e

o melhor posicionamento do mesmo são comparados com os obtidos com o sistema de

admissão sem ressonador, visando quantificar os ganhos com a presença do ressonador. Estes

resultados são apresentados por meio de curvas características do motor (torque, potência,

consumo específico, pressão média efetiva e pressão ao longo do conduto de admissão). Para

possibilitar a comparação dos resultados dos testes, são apresentadas também as curvas de

fator Lambda, avanço de ignição, temperatura do ar admitido e temperatura dos gases de

descarga no catalisador. Neste trabalho todos os resultados no dinamômetro foram realizados

em plena carga devido a cargas parciais atenuarem os fenômenos pulsantes no conduto de

admissão.

Visando obter os ganhos com a inserção do ressonador, um dos Laboratórios da FPT

Powertrain Tecnologies foi utilizado para a realização dos testes com a redução do pescoço do

ressonador.

5.3.2 Testes realizados no dinamômetro da FPT Powertrain Tecnologies

Os testes no dinamômetro da FPT Powertrain Tecnologies foram realizados com o ressonador

colocado em duas posições, sendo uma das posições no conduto de admissão, entre a

borboleta e o filtro de ar e a outra no coletor, entre as válvulas de admissão e a borboleta,

como mostrado na Figuras 4.65 e 4.66 na Metodologia. Todos os testes foram realizados em

condição de plena carga, com pressão no coletor de 900 mbar. Os resultados do desempenho

do motor, analisados através do torque, potência e consumo específico, para a condição

referência, sem ressonador, em função do volume e da posição do ressonador foram obtidas

para o motor FIRE 1368 cm

. Esta configuração de referência é definida como VVT 0.

RESULTADOS E ANÁLISES

152

A Figura 5.16 mostra os dados de torque de referência, sem ressonador, para o motor FIRE

1368 cm

obtidos no laboratório da FPT Powertrain Technologies, mostrando incertezas

máximas, conforme descrito no Apêndice I. O torque máximo ocorre na rotação de

4250 rev/min.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

FIGURA 5.16 – Torque de referência em função da rotação do motor

para toda a faixa de operação (VVT 0)

A Figura 5.17 mostra o torque obtido para o motor FIRE 1242 cm

, medido no Laboratório da

PUC Minas com uma incerteza máxima ±0,207 kgfm e para o motor 1368 cm

, no laboratório

da FPT com uma incerteza máxima de torque de ±0,1132 kgfm. Observa-se que as incertezas

máximas obtidas nos testes realizados na FPT são menores que a incertezas obtidas no

laboratório da PUC Minas (Apêndice I).

O aumento da cilindrada leva a um ganho de 3,6% de torque, na rotação de 2500 rev/min,

para o motor 1368 cm

. Na rotação de 4250 rev/min, o ganho em torque do1368 cm

relação ao motor 1242 cm

foi de 19,6%.

RESULTADOS E ANÁLISES

153

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

1368 cm3 1242 cm3

FIGURA 5.17 – Torque em função da rotação do para a configuração original para

os motores FIRE 1242 cm

e 1368 cm

As Figuras 5.18 a 5.41 mostram os parâmetros do motor em função da rotação em plena

carga, para a configuração conduto (ressonador colocado entre o filtro de ar e a borboleta) e

para configuração coletor (ressonador colocado entre a borboleta e as válvulas de admissão).

As figuras mostram respostas diferentes, de acordo com a variação do volume do ressonador

de pistão (Tabela 5.2).

TABELA 5.2 – Variação do volume do ressonador de pistão

Posição do pistão (mm) Volume (litros)

50 0,88

100 1,77

150 2,65

200 3,53

250 4,42

As Figuras 5.18 e 5.19 mostram o torque obtido para as várias posições do pistão, que

correspondem aos diferentes volumes do ressonador. As Figuras mostram o torque obtido

para o motor, onde a freqüência do sistema de admissão é alterada de acordo com os volumes

e posições, que maximizam ou não a eficiência volumétrica do motor. Observa-se uma

alternativa de ganhos em toda a faixa de operação do motor para a configuração do ressonador

no coletor de admissão, independente do volume do ressonador.

RESULTADOS E ANÁLISES

154

Torque versus rotação do motor

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm

Conduto_200mm Conduto_250mm VVT 0

FIGURA 5.18 – Torque em função da rotação do motor

para o ressonador no conduto de admissão

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.19 – Torque em função da rotação do motor

para o ressonador no coletor de admissão

RESULTADOS E ANÁLISES

155

Na Figura 5.19, o ganho em torque para a rotação de 1500 rev/min foi 5,6%, passando de

10,6 kgfm para 11,2 kgfm, com o volume do ressonador de 1,77 litros. Contudo, a rotação em

que ocorreu o maior ganho de torque, de 7,8%, foi em 2500 rev/min com o ressonador no

coletor e volume de 4,41 litros, representando 0,9 kgfm de torque em uma faixa de rotação

muito importante para o tráfego urbano. Para rotações acima de 4500 rev/min todos os

volumes apresentaram aproximadamente o mesmo comportamento.

As variações de torque são devidas à sintonia da freqüência do sistema de admissão com a

freqüência da fonte excitante do motor, representada pelas válvulas de admissão e pistões. As

freqüências do sistema de admissão são alteradas pela variação do volume, encontrando assim

a sintonia para os picos de torque, representando pontos de maximização de eficiência

volumétrica do sistema de admissão.

A Figura 5.20 mostra os dados de potência de referência, sem ressonador para o motor FIRE

1368 cm

obtidos no laboratório da FPT Powertrain Technologies. A incerteza máxima de

torque é de ±0,9354 cv, conforme descrito no Apêndice I.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Potência (cv)

FIGURA 5.20 – Potência de referência em função da rotação do motor

para toda a faixa de operação

RESULTADOS E ANÁLISES

156

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Potência (cv)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm

Conduto_200mm Conduto_250mm VVT 0

FIGURA 5.21 – Potência em função da rotação do motor

para o ressonador no conduto de admissão

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Potência (cv)

VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.22 – Potência em função da rotação do motor

para o ressonador no coletor de admissão

RESULTADOS E ANÁLISES

157

As Figuras 5.21 e 5.22 mostram as curvas de potência em função da rotação do motor para as

duas configurações avaliadas, nas diferentes freqüências do ressonador. A incerteza é

semelhante a apresentada na Figura 5.20. As figuras mostram pequenos ganhos em toda a

faixa de operação do motor para a configuração do ressonador no coletor de admissão,

independente do volume do ressonador. Na Figura 5.22, ressonador no coletor de admissão, o

ganho para a rotação de 1500 rev/min foi 4,5%, passando de 22,4 cv para 23,4 cv, com o

volume do ressonador de 1,77 litros, conduto 100 mm.

Contudo, a rotação em que ocorreu o maior ganho de potência, de 6,6%, foi em 2500 rev/min

com o ressonador no coletor e volume de 4,41 litros, conduto 250 mm, com 2,7 cv de

potência. Para a condição de máxima potência, a 5500 rev/min, o valor de potência apresenta

um ganho 0,5 cv ou 0,6% de acréscimo, passando de 79,1 cv para 79,6 cv.

Pode-se observar que os resultados de torque e potência com a presença do ressonador

apresentam ganhos para toda a faixa de rotação, sendo estes ganhos maiores para rotações

entre 2500 a 3500 rev/min. Isso indica maior disponibilidade de torque nas faixas onde o

veículo é utilizado em centros urbanos.

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Consumo Específico (g/CVh)

FIGURA 5.23 – Consumo específico de referência em função da rotação do motor

para toda a faixa de operação

RESULTADOS E ANÁLISES

158

A Figura 5.23 mostra os dados de consumo específico de referência, sem ressonador para o

motor FIRE 1368 cm

, obtidos no laboratório da FPT Powertrain Technologies. A incerteza

máxima obtida no consumo específico é de ±0,0053 g/cvh, conforme descrito no Apêndice I.

As Figuras 5.24 e 5.25 apresentam o consumo específico obtido. Observa-se uma redução do

consumo específico com a inserção do ressonador em quase toda a faixa de operação do

motor. Nesta comparação, a redução de consumo específico para a rotação de 1500 rev/min

foi a mais expressiva, com redução de 14,6%, passando de 195,8 gcv/h para 167,2 gcv/h, com

o ressonador no conduto e volume de 1,77 litros.

Contudo, outras rotações também sofreram redução significativa, sendo que em 2250 rev/min

ocorreu uma redução de consumo específico de 12,9%. Em 6000 rev/min ocorreu uma

redução de consumo específico de 9,8%. Em 3500 rev/min ocorreu uma redução de consumo

específico de 8,5%.

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Consumo Específico (g/CVh)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm

Conduto_200mm Conduto_250mm VVT 0

FIGURA 5.24 – Consumo específico em função da rotação do motor

para o ressonador no conduto de admissão

RESULTADOS E ANÁLISES

159

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Consumo Específico (g/CVh)

VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.25 – Consumo específico em função da rotação do motor

para o ressonador no coletor de admissão

Para estas mesmas condições foi avaliada também a pressão média efetiva, que caracteriza o

trabalho realizado por ciclo do motor (Heywood, 1998). As Figuras 5.26 e 5.27 apresentam os

resultados da pressão média efetiva para as configurações analisadas. Observa-se um aumento

desta pressão média efetiva para todos os volumes analisados em praticamente toda a faixa de

rotação do motor. A diferença da pressão média efetiva foi inferior a 1% para todos os

volumes a partir de 4500 rev/min.

De uma forma geral, nota-se nos testes em dinamômetro de bancada um ganho de torque e

potência para o motor com a inserção do ressonador no coletor de admissão para todos os

regimes de operação, observando que tais testes foram sempre realizados em plena carga e

lambda otimizado pelo torque. Os valores do fator lambda são mostrados nas Figuras 5.28

e 5.29.

RESULTADOS E ANÁLISES

160

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Pressão Média Efetiva (kgf/cm2)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm

Conduto_200mm Conduto_250mm VVT 0

FIGURA 5.26 – Pressão média efetiva em função da rotação do motor

para o ressonador no conduto de admissão

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Pressão Média Efetiva (kgf/cm2)

VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.27 – Pressão média efetiva em função da rotação do motor

para o ressonador no coletor de admissão

RESULTADOS E ANÁLISES

161

0,5

0,75

1,25

1,5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Fator Lambda

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm

Conduto_200mm Conduto_250mm VVT 0

FIGURA 5.28 – Fator lambda otimizado pelo torque em função da rotação do motor

para o ressonador no conduto de admissão

0,5

0,75

1,25

1,5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Fator Lambda

VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.29 – Fator lambda otimizado pelo troque em função da rotação do motor

para o ressonador no coletor de admissão

RESULTADOS E ANÁLISES

162

Para todos os casos, Figuras 5.28 e 5.29, a relação ar/combustível foi monitorada através do

fator lambda, sendo que até 3500 rev/min foi possível manter a condição próxima a

estequiométrica. Para rotações maiores, foi necessário um maior enriquecimento da mistura

para diminuir a temperatura no catalisador. A Figura 5.30 mostra os valores de temperatura

atingidos no catalisador para todos os casos analisados, não podendo superar os 950

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Temperatura (°C)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm Conduto_200mm

Conduto_250mm VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.30 – Temperatura no catalisador em função da rotação do motor

Outro fator importante para poder comparar os resultados com o motor nas mesmas condições

é o ângulo de avanço de ignição. Os avanços de ignição iguais para a mesma rotação

permitem que o rendimento térmico naquela condição não seja alterado. A Figura 5.31 mostra

o avanço de ignição em função da rotação do motor para todas as configurações avaliadas.

RESULTADOS E ANÁLISES

163

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Avanço de Ignição (graus)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm Conduto_200mm

Conduto_250mm VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.31 - Avanço de ignição em função da rotação do motor

A Figura 5.32 apresenta os valores da pressão no coletor de admissão em função da rotação

do motor para todas as configurações avaliadas. O motor operando com o ressonador para as

duas configurações e nos diversos volumes apresenta uma pressão manométrica no coletor de

admissão diferenciada, de acordo com as alterações das amplitudes geradas pela freqüência de

resposta do ressonador. As alterações de pressão ocorrem entre 2000 e 3500 rev/min e em

torno de 5500 rev/min.

A pressão no coletor de descarga também é apresentada na Figura 5.33 em função da rotação

do motor para todas as configurações avaliadas. Praticamente não apresenta variação ao longo

de toda a faixa de rotação do motor, sendo 6% a diferença entre valores máximos e mínimos

de pressão para a mesma rotação.

RESULTADOS E ANÁLISES

164

Pressão no coletor de admissão

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Pressão (mmHg)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm Conduto_200mm

Conduto_250mm VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.32 – Pressão no coletor de admissão em função da rotação do motor

Pressão no coletor de descarga

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Pressão (mmHg)

Conduto_50mm Conduto_100mm Conduto_150mm Conduto_200mm

Conduto_250mm VVT 0 Coletor_50mm coletor_100mm

coletor_150mm coletor_200mm coletor_250mm

FIGURA 5.33 – Pressão no coletor de descarga em função da rotação do motor

RESULTADOS E ANÁLISES

165

5.3.3 Resultados de Torque, Potência e Consumo Específico em função da variação do

volume do ressonador

Primeiramente, a partir dos dados de potência, torque e consumo específico medidos em

função da posição do ressonador no sistema de admissão, para as rotações de 2000, 2500,

3000, 3500 e 5500 rev/min, são determinados os principais parâmetros de pressão para as

condições analisadas. Os parâmetros são sempre analisados em função da variação do volume

do ressonador, que variou de 0 a 4,41 litros, com o objetivo de analisar a pressão no sistema

de admissão, sempre com o intuito de compreender as respostas do ressonador de volume

variável, possibilitando o conhecimento da forma em que o volume e o posicionamento do

ressonador afetam os parâmetros de desempenho do motor de combustão interna.

A Figura 5.34 mostra as curvas de torque em função do volume do ressonador, para as duas

posições de inserção do ressonador no sistema de admissão, para a rotação de 2000 rev/min.

Nessa figura é possível analisar o comportamento do torque com o volume do ressonador. O

torque apresenta o valor máximo de 9,54 kgfm para o ressonador posicionado no coletor de

admissão e volume de 0,88 litros. O valor mínimo de 9,10 kgfm é obtido com o ressonador

posicionado no conduto de admissão para o volume de 2,65 litros.

9,0

9,3

9,5

9,8

10,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Torque (kgfm)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.34 – Torque em função do volume do ressonador para as duas configurações

analisadas com rotação de 2000 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

166

Na Figura 5.35 são apresentadas as curvas de pressão manométrica na porta das válvulas de

admissão dos quatro cilindros em função do tempo. São apresentadas as pressões medidas nos

quatro condutos de admissão, para avaliação da influência da abertura e fechamento das

válvulas de admissão.

O sincronismo das ondas de pressão com o movimento das válvulas e do pistão foi obtido por

meio da posição dos eixos virabrequim e comando de válvulas, sendo apresentado como

sincronismo do cilindro. Analisando as ondas de pressão pode-se observar que os picos de

pressão no conduto acontecem após o fechamento da válvula do mesmo conduto, ocorrendo

na seqüência de ignição do motor, 1-3-4-2. A rampa de descida do maior degrau apresentado

significa que o pistão do cilindro 4 está em PMS realizando descarga. Os dados foram obtidos

para uma rotação de 2000 rev/min.

-0,06

-0,05

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (s)

Pressão (bar)

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

Sincronismo (Volt)

Porta da válvula cilindro 1 Porta da válvula cilindro 2 Porta da válvula cilindro 3

Porta da válvula cilindro 4 Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.35 – Pressão do sistema sem ressonador em função do tempo

Na Figura 5.36 são apresentadas as curvas de pressão manométrica em função do tempo,

mostrando o sincronismo com o ângulo do eixo virabrequim. Os dados de pressão foram

obtidos para uma rotação de 2000 rev/min no interior do ressonador, no conduto de admissão

na posição em que o pescoço do ressonador foi inserido na porta da válvula do 1º cilindro.

RESULTADOS E ANÁLISES

167

Os valores maiores de pressão ocorrem na porta da válvula de admissão, sendo inferiores ao

do sistema sem ressonador. As pressões no interior do ressonador e no conduto possuem

amplitude semelhante, sendo que no interior do ressonador somente se tem pressão positiva

quando está em sintonia com a freqüência do sistema de admissão.

-0,06

-0,05

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (s)

Pressão (bar)

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

Sincronismo (Volt)

Pressão - interior do ressonador Pressão - porta da válvula de admissão

Pressão - conduto de admissão Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.36 – Pressão do sistema em função do tempo

para rotação de 2000 rev/min e ressonador no conduto com 2,65 litros

A Figura 5.37 apresenta a curva de pressão em função do tempo, para a condição de máximo

torque, mostrado na Figura 5.34, com o ressonador posicionado no coletor de admissão com o

volume 0,88 litros. A pressão no interior do ressonador apresenta amplitude de 34 mbar, em

fase com a abertura das válvulas de admissão, portanto, em sintonia com a freqüência das

válvulas de admissão.

RESULTADOS E ANÁLISES

168

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão no ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.37 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000 rev/min

em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88 litros

A Figura 5.38 apresenta a curva de pressão no interior do ressonador em função do tempo

para a condição de mínimo torque, com o ressonador posicionado no conduto de admissão

com o volume de 2,65 litros. A pressão no interior do ressonador apresenta valores de16 mbar

e estão fora de fase com a abertura das válvulas de admissão.

Dessa forma, a curva de pressão no interior do ressonador no instante em que cruza a curva de

sincronismo apresenta diferentes níveis de pressão para a condição de máximo e mínimo

torque. Para a condição de máximo torque, a pressão apresenta o valor de 29 mbar e para a

condição de mínimo torque apresenta o valor de -3 mbar, portanto apenas o ressonador no

coletor com 0,88 litros está em sintonia para a rotação de 2000 rev/min do motor.

RESULTADOS E ANÁLISES

169

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.38 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2000 rev/min

em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65 litros

A Figura 5.39 apresenta o comportamento da potência em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão. É analisado também

o comportamento da potência para toda a faixa de volume do ressonador. A potência atinge o

valor máximo de 32,2 cv para a configuração sem ressonador, com volume do ressonador

igual a zero.

A Figura 5.40 mostra as curvas de consumo específico de combustível em função do volume

do ressonador, para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e

rotação de 2000 rev/min. O volume do ressonador foi variando de 0 a 4,41 litros. O consumo

específico atinge o valor mínimo de 181,63 g/cvh para o ressonador posicionado no coletor de

admissão com o volume 0,88 litros, representando um ganho de 5,6% ou 10,87 g/cvh, quando

comparado com a configuração se ressonador (referência). Tanto para o torque quanto para o

consumo específico, ocorrem ganhos para a rotação de 2000 rev/min, já a potência não é

alterada.

RESULTADOS E ANÁLISES

170

30,0

31,0

32,0

33,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Potência (cv)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.39 – Potência em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min

180,0

185,0

190,0

195,0

200,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Consumo Específico (kg/kWh)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.40 – Consumo específico em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas e uma rotação de 2000 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

171

A Figura 5.41 mostra as curvas de torque em função do volume do ressonador, para as duas

posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de 2500 rev/min. O

volume do ressonador variou em toda a faixa e o torque atinge o valor máximo de 10,36 kgfm

para o ressonador posicionado no coletor de admissão com o volume de 4,42 litros e o valor

mínimo de 9,36 kgfm para o ressonador posicionado no conduto de admissão com o volume

de 0,88 litros. Sem o ressonador, o torque é de 9,68 kgfm.

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Torque (kgfm)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.41 – Torque em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas e uma rotação de 2500 rev/min

A Figura 5.42 apresenta a curva de pressão no interior do ressonador em função do tempo,

para a condição de máximo torque mostrado na Figura 5.41, com o ressonador posicionado no

coletor de admissão com o volume 4,42 litros. A pressão no interior do ressonador apresenta

amplitude de 32 mbar em fase com a abertura das válvulas de admissão, portanto, em sintonia

com a freqüência das válvulas de admissão. A Figura 5.43 apresenta a curva de pressão em

função do tempo para a condição de mínimo torque, com o ressonador posicionado no

conduto de admissão e volume de 0,88 litros. A pressão no interior do ressonador apresenta

valores de14 mbar.

RESULTADOS E ANÁLISES

172

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.42 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500 rev/min

em função do tempo – ressonador no coletor com 4,42 litros

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do ciclindro

FIGURA 5.43 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 2500 rev/min

em função do tempo – ressonador no conduto com 0,88 litros

RESULTADOS E ANÁLISES

173

A Figura 5.44 apresenta o comportamento da potência em função da variação do volume do

ressonador, para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação

de 2500 rev/min. A potência atinge o maior ganho quando comparado com as demais

configurações e rotações, sendo o valor máximo de 46,4 cv para a configuração do ressonador

no coletor com o volume de 4,42 litros, ganho de 6,6% com relação à referência.

39,0

40,0

41,0

42,0

43,0

44,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Potência (cv)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.44 – Potência em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min

A Figura 5.45 mostra as curvas de consumo específico em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de

2500 rev/min. O consumo específico atinge o valor mínimo de 181,72 g/cvh para o

ressonador posicionado no coletor de admissão, com o volume de 3,53 litros, representando

um ganho de 5,7% ou 11,07 g/cvh.

RESULTADOS E ANÁLISES

174

180,0

185,0

190,0

195,0

200,0

205,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Consumo Específico (kg/kWh)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.45 – Consumo específico em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 2500 rev/min

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Torque (kgfm)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.46 – Torque em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

175

A Figura 5.46 apresenta as curvas de torque em função do volume do ressonador, para as duas

posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de 3000 rev/min. O

torque atingiu o valor máximo de 10,33 kgfm para o ressonador posicionado no coletor de

admissão com o volume 1,77 litros e o valor mínimo de 9,53 kgfm para o ressonador

posicionado no conduto de admissão com uma faixa de volume de 2,65 a 3,53 litros. Sem

ressonador o torque é de 9,71 kgfm.

A Figura 5.47 apresenta a curva de pressão no interior do ressonador em função do tempo,

para a condição de máximo torque mostrado na Figura 5.46 com o ressonador posicionado no

coletor de admissão com o volume de 1,77 litros. A pressão no interior do ressonador

apresenta amplitude de 31 mbar, em fase com a abertura das válvulas de admissão, portanto

em sintonia com a freqüência das válvulas de admissão. As Figuras 5.48 e 5.49 apresentam as

curvas de pressão no interior do ressonador em função do tempo para a condição de mínimo

torque, com o ressonador posicionado no conduto de admissão com os volumes de 2,65 e 3,53

litros, respectivamente. A pressão no interior do ressonador foi muito baixa, apresentando

variação de 2 a 6 mbar.

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.47 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000 rev/min

em função do tempo – ressonador no coletor com 1,77 litros

RESULTADOS E ANÁLISES

176

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.48 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000 rev/min

em função do tempo – ressonador no conduto com 2,65 litros

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.49 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3000 rev/min

em função do tempo – ressonador no conduto com 3,53 litros

RESULTADOS E ANÁLISES

177

A Figura 5.50 apresenta o comportamento da potência em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de

3000 rev/min. A potência atinge o valor máximo de 52,3 cv para a configuração do

ressonador no coletor com o volume de 1,77 litros e um valor mínimo de 48,7 cv, abaixo do

valor referência que é de 49,30 cv.

48,0

49,0

50,0

51,0

52,0

53,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Potência (cv)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.50 – Potência em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min

A Figura 5.51 mostra as curvas de consumo específico em função da variação do volume do

ressonador, para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação

de 3000 rev/min. O consumo específico atinge o valor mínimo de 181,27 g/cvh para o

ressonador posicionado no conduto de admissão com o volume de 4,41 litros, representando

um ganho de 4,3% ou 8,20 g/cvh.

RESULTADOS E ANÁLISES

178

180,0

185,0

190,0

195,0

200,0

205,0

210,0

215,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Consumo Específico (kg/kWh)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.51 – Consumo específico em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3000 rev/min

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Torque (kgfm)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.52 – Torque em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

179

A Figura 5.52 mostra as curvas de torque em função da variação do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de

3500 rev/min. O torque atinge o valor máximo de 10,40 kgfm para o ressonador posicionado

no coletor de admissão com o volume 0,88 litros e o valor mínimo de 9,60 kgfm para o

ressonador posicionado no conduto de admissão com o volume de 1,77 litros. Para o caso de

referência o valor de torque obtido foi de 10,02 kgfm.

A Figura 5.53 apresenta a curva de pressão no interior do ressonador em função do tempo

para a condição de máximo torque, mostrado na Figura 5.52, com o ressonador posicionado

no coletor de admissão com o volume 0,88 litros. A pressão no interior do ressonador

apresenta amplitude de 40 mbar em fase com a abertura das válvulas de admissão, portanto

em sintonia com a freqüência das válvulas de admissão. A Figura 5.54 apresenta a curva de

pressão em função do tempo para a condição de mínimo torque, com o ressonador

posicionado no conduto de admissão com o volume de 1,77 litros. A pressão no interior do

ressonador foi muito baixa, apresentando valores de 7 mbar.

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.53 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500 rev/min

em função do tempo – ressonador no coletor com 0,88 litros

RESULTADOS E ANÁLISES

180

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.54 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 3500 rev/min em

função do tempo – ressonador no conduto com 1,77 litros

A Figura 5.55 apresenta o comportamento de potência em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de

3500 rev/min. A potência atinge o valor máximo de 61,3 cv para a configuração do

ressonador no coletor com o volume de 0,88 litros, com ganho de 1,8% com relação à

referência.

A Figura 5.56 mostra as curvas de consumo específico em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de

3500 rev/min. O consumo específico atinge o valor mínimo de 184,08 g/cvh para o

ressonador posicionado no conduto de admissão com o volume 3,53 litros, representando um

ganho de 8,5% ou 17,01 g/cvh.

RESULTADOS E ANÁLISES

181

57,0

58,0

59,0

60,0

61,0

62,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Potência (cv)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.55 – Potência em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min

180,0

185,0

190,0

195,0

200,0

205,0

210,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Consumo Específico (kg/kWh)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.56 – Consumo específico em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 3500 rev/min

RESULTADOS E ANÁLISES

182

A Figura 5.57 mostra as curvas de torque em função do volume do ressonador, para as duas

posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de 5500 rev/min. O

torque atinge o valor máximo de 8,57 kgfm para o ressonador posicionado no coletor de

admissão com o volume 4,42 litros e o valor mínimo de 8,24 kgfm para o ressonador

posicionado no conduto de admissão com o volume de 2,65 litros. O torque sem ressonador é

de 8,49 kgfm. Para a rotação de 5500 rev/min foram obtidas as menores diferenças entre os

valores de torque máximo e mínimo, atribuindo essa menor diferença ao não funcionamento

do ressonador, pois está fora da freqüência de atuação.

8,0

8,3

8,5

8,8

9,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Torque (kgfm)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.57 – Torque em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min

As Figuras 5.58 e 5.59 apresentam as curvas de pressão em função do tempo, para as

condições de máximo e mínimo torque mostrado na Figura 5.57, respectivamente. Ao

contrário das pressões no interior do ressonador obtidas para as rotações menores, a pressão

no interior do ressonador apresenta valores de depressão ao longo de todo o experimento,

mostrando a não atuação e a falta de sintonia do ressonador com as freqüências do sistema de

admissão e válvulas de admissão para a rotação do motor de 5500 rev/min.

RESULTADOS E ANÁLISES

183

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.58 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500 rev/min

em função do tempo – ressonador com 4,42 litros

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Tempo (seg)

Pressão (bar)

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,2

Sincronismo (Volts)

Pressão - interior do ressonador

Sincronismo do cilindro

FIGURA 5.59 – Pressão no interior do ressonador para uma rotação de 5500 rev/min

em função do tempo – ressonador com 2,65 litros

RESULTADOS E ANÁLISES

184

A Figura 5.60 apresenta o comportamento de potência em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de 5500

rev/min. A potência apresenta o menor ganho, 0,6 %, sendo essa a máxima potência

desenvolvida pelo motor. O valor máximo de potência foi de 79,6 cv para a configuração do

ressonador no coletor, com o volume de 3,53 litros.

77,0

78,0

79,0

80,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Potência (cv)

Ressonador no conduto Ressonador no coletor

FIGURA 5.60 – Potência em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min

A Figura 5.61 mostra as curvas de consumo específico em função do volume do ressonador,

para as duas posições de inserção do ressonador no sistema de admissão e rotação de 5500

rev/min. O consumo específico apresenta as menores diferenças entre os valores máximo e

mínimo, 241,51 g/cvh e 231,76 g/cvh, respectivamente. Esta diferença é de 4,2 %.

RESULTADOS E ANÁLISES

185

230,0

235,0

240,0

245,0

0 1 2 3 4 5

Volume do ressonador (litros)

Consumo Específico (kg/kWh)

Ressonador no conduto

Ressonador no coletor

FIGURA 5.61 – Consumo específico em função do volume do ressonador

para as duas configurações avaliadas para uma rotação de 5500 rev/min

Pode-se então concluir que os resultados experimentais apresentam um aumento de torque e

potência, e uma redução de consumo específico, quando se atinge pressões positivas no

interior do ressonador, representado pela sintonia da freqüência do volume adequado do

ressonador com a freqüência natural do sistema de admissão e da freqüência das válvulas de

admissão.

5.3.4 Análise do desempenho do motor em função do volume do ressonador para toda

a faixa de operação

As Figuras 5.62 a 5.64 apresentam os resultados finais simulados, com a barra de incertezas,

conforme calculado no apêndice I. Os resultados foram significativos com a adoção dos

volumes maximizados do ressonador de volume variável para obtenção dos resultados por

meio do valor máximo de torque e potência nos testes realizados. Para o consumo específico,

os valores foram obtidos por meio dos mínimos valores dos testes realizados.

RESULTADOS E ANÁLISES

186

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

VVT 0

Ressonador Variável

FIGURA 5.62 – Ganho em torque com a inserção do ressonador de volume variável

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Potência (cv)

Ressonador Variável VVT 0

FIGURA 5.63 – Ganho em potência com a inserção do ressonador de volume variável

RESULTADOS E ANÁLISES

187

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Consumo Específico (g/CVh)

Consumo referência - VVT 0 Ressonados variável

FIGURA 5.64 – Ganho em consumo específico com a inserção

do ressonador de volume variável

Os testes de desempenho no dinamômetro de bancada foram realizados em condições

estabilizadas. Tanto para o torque quanto para a potência, observa-se o aumento significativo

dos valores para toda a faixa de operação do motor. O ganho foi real, pois os valores superam

as incertezas calculadas. O consumo específico sofre uma redução significativa, e os valores

obtidos também superam as incertezas calculadas. Em todos os casos que ocorreram ganhos, a

pressão interna do ressonador de volume variável indica a atuação do ressonador. Os ganhos

mostrados com a inserção do ressonador de volume variável, embora não tenham sido

realizados com o ressonador dinâmico de palheta com controle eletrônico, foram validadas

com testes estáticos e dinâmicos que indicam que a resposta do sistema atinge os objetivos

propostos.

5.3.5 Considerações finais

Os resultados mostraram que os testes realizados em Banco de Fluxo proporcionam um

estudo aprofundado dos fenômenos transientes ocorridos no sistema de admissão dos motores,

porém, estes resultados possuem diferenças relevantes com os resultados obtidos em

dinamômetro de bancada. Para reduzir ou eliminar essas diferenças, uma abordagem seria

RESULTADOS E ANÁLISES

188

reproduzir a pressão no interior do cilindro do motor sem a utilização do plenum do Banco de

Fluxo.

Os parâmetros de desempenho do motor e comportamento das ondas de pressão geradas ao

longo do sistema de admissão, devido ao movimento das válvulas e pistões foram avaliados

para várias condições e regimes de rotação do motor. A análise destes parâmetros foi

realizada em bancada de fluxo e dinamômetro de bancada.

Os resultados mostram que é possível aumentar o rendimento volumétrico nos motores

através da inserção do ressonador de volume variável no sistema de admissão. Por meio dos

resultados obtidos foi possível definir uma metodologia de dimensionamento de ressonador,

que possibilite o aumento de torque e potência e uma redução de consumo específico dos

motores. O projeto do ressonador de volume variável de palheta funciona de acordo com o

volume maximizado pelos testes no dinamômetro de bancada. Isso possibilita validar o

controle eletrônico do ressonador variável. Controle este definido para sintonizar a freqüência

requerida pelo sistema com o volume solicitado do ressonador para resposta da onda de

pressão.

Combinações específicas dos parâmetros de projeto do sistema de admissão no motor,

partindo das válvulas de admissão, eixo comando de válvulas, coletores, borboleta de carga

do motor, condutos e elemento filtrante, podem ter um compromisso para que em conjunto

com o ressonador de volume variável maximizem a eficiência volumétrica do motor. Contudo

sugestões para trabalhos futuros são apresentadas no capítulo 7.

6. CONCLUSÕES

As conclusões deste trabalho referem-se ao desenvolvimento e construção do ressonador

de volume variável, às metodologias desenvolvidas e aos resultados dos testes

experimentais no Banco de Fluxo e no dinamômetro de bancada. Conclusões importantes

também são apresentadas para o controle eletrônico do ressonador de volume variável.

• A metodologia de melhoria da eficiência volumétrica é de grande utilidade para

avaliar o comportamento de dispositivos e estratégias utilizadas para melhorar o

desempenho e reduzir o consumo de combustível nos motores.

• O ressonador proposto nesse trabalho foi desenvolvido e construído com a concepção

de palhetas, fixas e móveis controladas eletronicamente, mais favoráveis a dinâmica

requisitada pelo motor de combustão interna.

• Os resultados no banco de fluxo mostraram-se efetivo para dimensionar e posicionar

o ressonador para aumentar a massa de ar admitida em toda a faixa de rotação do

motor. A maior eficiência do ressonador se dá quando colocado o mais próximo

possível da válvula de admissão e o volume sintonizado com a freqüência de

ressonância, mas, de uma forma geral, acarretam ganhos de massa de ar.

• O sistema de redução mecânica, para o acionamento da palheta móvel através do

motor de corrente contínua, foi implementado para um melhor ajuste do ângulo entre

as palhetas.

• O sistema de controle desenvolvido conseguiu atender os tempos de resposta do

motor, sendo o tempo da variação do volume do ressonado inferior ao da variação da

rotação em função da carga do motor.

• O ressonador de volume variável com o sistema de controle eletrônico dinâmico

permite atender os parâmetros estabelecidos, vazão e pressão no sistema de

admissão, possibilitando a melhoria de eficiência do motor e, consequentemente o

ganho de torque e potência.

CONCLUSÕES

190

• A variação do volume do ressonador e a posição no sistema de admissão afetam a

forma das ondas de pressão no conduto e no ressonador, e a curva de vazão mássica

de ar em função da rotação do motor.

• Resultados de vazão mássica de ar no banco de fluxo mostram que a forma

geométrica da cavidade do ressonador não interfere nas respostas para um mesmo

volume, sendo mantidos as demais características, diâmetro e comprimento do

pescoço.

• Resultados dos testes de desempenho no dinamômetro de bancada, em condições

estabilizadas com a inserção do ressonador de volume variável, mostram um

aumento significativo para o torque e para a potência para toda a faixa de operação

do motor.

• O consumo específico de combustível sofre uma redução significativa, nos testes no

dinamômetro de bancada, em condições estabilizadas com a inserção do ressonador

de volume variável, para toda a faixa de operação do motor.

• A pressão no interior do ressonador mostra a atuação e a sintonia do ressonador com

as freqüências do sistema de admissão e válvulas de admissão para toda a faixa de

rotação do motor.

• Resultados experimentais apresentam um aumento de torque e potência, e uma

redução de consumo específico, quando se atinge pressões positivas no interior do

ressonador, representado pela sintonia da freqüência do volume adequado do

ressonador com a freqüência natural do sistema.

• O presente trabalho apresenta um banco de dados experimentais para ser utilizado

em validação de modelos de escoamento em coletores de admissão na indústria

automotiva em geral, possibilitando melhora da eficiência volumétrica e redução no

consumo de combustível.

CONCLUSÕES

191

• A metodologia para identificação das influências e das freqüências de cada

componente do sistema de admissão permite analisar o sistema completo de

admissão;

• Uma correlação entre os dados obtidos em bancada de fluxo e dinamômetro de

bancada não foi conclusiva pois os fenômenos que ocorrem no banco de fluxo são

diferentes daqueles observados no motor, mesmo trabalhando com os movimentos

alternativos das válvulas de admissão e do pistão, o comportamento transiente do

escoamento de ar nos condutos de admissão é diferente, assim como os níveis de

temperatura e pressão.

• Os resultados obtidos mostram a viabilidade da utilização de um ressonador

eletrônico que permita para cada rotação do motor, ajustar a sintonia com as ondas de

pressão no sistema de admissão, de forma a obter ganhos em desempenho para

regimes de plena carga e ao longo de toda a faixa de rotação do motor.

• As alternativas para a utilização de um ressonador eletrônico como um componente

de melhoramento de eficiência em motores não se esgotam com a investigação

realizada. Outras técnicas e tecnologias podem ampliar os ganhos potenciais do

ressonador eletrônico.

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

•

Estudo de viabilidade econômica para implementação de ressonadores de volume

variável em motores de combustão interna aplicado sobre o veículo.

•

Análise experimental do ressonador de palheta com controle eletrônico aplicado

sobre o veículo em dinamômetro de rolos.

•

Estudo de um sistema de controle da massa de ar induzida no motor por meio de

um sistema de borboleta convencional e um pelo controle da abertura das válvulas

de admissão sem borboleta.

•

Estudo experimental da dinâmica de um sistema de admissão com a presença de

compressores;

•

Comparativo dos fenômenos transientes de pressão em motores naturalmente

aspirados e turbo alimentado com compressores;

•

Estudo numérico pelos métodos das características e considerando técnicas de

fluidodinâmica computacional do escoamento em condutos de admissão com e sem

a presença de ressonadores.

•

Estudo experimental em dinamômetro dinâmico com o ressonador variável,

avaliando a variação das emissões de gases de descarga.

•

Projeto de um coletor de admissão com ressonador variável integrado.

• Projeto e desenvolvimento do circuito impresso para o DSP, a ponte H (on-chip) e

os circuitos dos filtros para condicionamento dos sinais dos sensores utilizados.

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

193

• Implementação de um controlador PID para o controle do ressonador de volume

variável para eliminar o erro em regime estacionário.

• Integração do controle do ressonador ao sistema de injeção, ambos controlados via

DSP.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT, “Apresentação de Desempenho de Motores ACI (Alternativos de Combustão

Interna)”, NBR 5477, 1982.

ABNT, “Veículos Rodoviários – Código de Ensaio de Motores – Potência Líquida

Efetiva”, NBR ISO 1585, 1996.

ABDULNOUR, B.S., “Hot-Wire Velocity Measurements of Defroster and Windshield

Flow”. SAE Paper, Nº 970109, 1997.

ASHHAB M.S., STEFANOPOULOU A.G., COOK J.A., LEVIN M., “Camless Engine

Control for a Robust Unthrottled Operation”, SAE Internacional, 1998.

ANDRIESSE, D.C., CARPEGNA, G., “Tool for performance optimization spark

ignition engines – Strumenti per l’ ottimizzazione delle prestazioni di motori ad

iniezione multivalvola”, Automobili e Motori High – Tech, 2° Convegno Intrnazionale,

2nd Intrnational Conference, maggio 1996.

ARCOUMANIS C., VAFIDIS C., WHITELAW, J.H., “Valve and in-cylinder flow

generated by helical port in aproduction diesel engine”. J. Fluids Eng., 109(4), 368-

375, 1987.

BAÊTA, J. G. C., “Metodologia experimental para a maximização do desempenho de

um motor multicombustível turboalimentado sem prejuízo à eficiência energética

global”, Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG, Belo

Horizonte, MG, Brasil, 2006.

BAUER, W.D., WENISCH,J., HEYWOOD, J.B., “Averaged and time-resolved heat

transfer of steady and pulsating entry flow in intake manifold of a spark-ignition

engine”. International Journal of Heat and Fluid Flow, Nº 19, pp. 1-9, 1998.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

195

BEHHIA, M., MILTON, B.E., “Fundamentals of fuel fil formation and motion in SI

engine induction systems”. Energy Conversion and Management, Nº 42, pp. 1751-1768,

2001.

BELMABROUK, H., MICHARD, M., “Analysis of the swirl effect on turbulent length

scale in na ICE cylinder by two-point LDV”. International Journal of Heat and Fluid

Flow, Nº 22, pp. 417-423, 2001.

BENAJES, J., REYES, E., GALINDO, J., PEIDRO, J., “Predesign Model for Intake

Manifolds in Internal Combustion Engines”. SAE Paper Nº 970055, 1997.

BENSON R.S., “A comprehensive digital computer program to simulate a

compression ignition engine including intake and exhaust systems”. SAE Paper Nº

710173, 1973.

BENSON R.S., The thermodynamics and gas dynamics of internal combustion

engines. Vol. I, Oxford University Press, 1982.

BENSON R.S., The thermodynamics and gas dynamics of internal combustion

engines. Vol. II, Oxford University Press, 1986.

BENSON R.S., BARUAH P.C. , “Some further tests on a computer program to

simulate internal combustion engines”, SAE Paper Nº 730667, 1973.

BENSON R.S., BARUAH P.C. “Some further tests on a computer program to

simulate internal combustion engines”. SAE Paper Nº 710173, 1973.

BICEN, F., VAFIDIS, C., WHITELAW, J.H., “Steady and unsteady Air Flow through

na Intake Valve of a Reciprocating Engine”, J. Fluids Eng., 107 – 413, 1985.

BLAIR, G.P., DROUIN, F. M. M., “Relationship between Discharge Coefficients and

Accuracy of Engine Simulation”, SAE Paper n. 962527, 1996.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

196

BLAIR, G.P., LAU, H.B., CARTWRIGHT, A., RAGHUNATHAN, B.D., MACKEY,

D.O., “Coefficients of Discharge at the Aparatures of Engines”, Design and Emissions

of Small Two and Four Stroke Engines – SAE Paper n. 952138, 1995.

BOCCHI, G., Motori a Quattro Tempi, Ulrico Hoepli Editore Milano, 1988.

BORETTI, A.A., CANTORI, G., “Computational Methods for the Fluid Dynamic

Optimization of High Performance Engines, Automobili e Motoi High” – Tech, 2°

Convgno Internazionale, 2nd International Conference, maggio 1996.

BRADS M.C., “Helmholtz tuned indiction system for turbocharged diesel engine”,

SAE Paper N° 790069, 1979.

CHEHROUDI, B., SCHUH, D., “Intake-Port Flow Behavior in a Motored and Fired

Two-stroke Research Engine”. Experimental Thermal and Fluid Science, Nº 10, pp. 86-

100.

CHEN, K., LIU, Y., “A physical insight of the active control on sound source in a

pipe”, Applied Acoustics 61, 133-148, 2000.

CHIAVOLA, O., “Multi-Dimensional CFD-Transmission Matrix Modelling of IC

Engine Intake and Exhaust systems”. Journal of Sound and Vibration, Nº 256(6), pp.

835-848, 2002.

CUNHA, S. B. HEDRICK, J. K., PISANO, A. P., 2000, “Variable Valve Timing By

Means of a Hydraulic Actuation”, Variable Valve Actuation 2000 – SAE, 2000-01-1220,

pág. 1-17.

CRUZ, P. T. A., VIANNA, J. N. S., FERREIRA, R. V., “Estudo do escoamento em uma

bancada de simulação de coletores de admissão”, Seminário de Tecnologia de Motores,

Combustíveis e Emissões, PUC Minas, Belo Horizonte,2005.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

197

DEAR, T., INGARD, K.U., SCHUCHARDT, M.E., “An air induction system for a four-

cylinder engine: design, noise control and engine efficiency”, SAE Paper Nº 931317,

1993.

D’ERRIC, G., ONORATI,A., FERRARI, G., “Na integrated 1D-2D Fluid Dynamic

Model for the Simulation of Wave Action in I.C. Engine Manifolds”. Fluid Dynamics

Reactive Flows and Combustion, Milano – Italy, Nº 32, pp. 103-111, 2000.

DIMOPOULOS, P., BOULOUCHOS, K., “Turbulent Flow Field Characteristics in a

Motored Reciprocating Engine”. SAE Paper, Nº 972833, 1997.

DOEBELIN, E.O., Measurement Systems: Application and Design. McGraw Hill

Publishing Co, 4ª edição, 1990.

DOHMEN, H.P., FEHL, G., “Dynamic and Transient Engine Testing Application,

System Requirements and Modular Structures”. SAE Paper, Nº 982958, 1998.

DORIA, A., “A Simple Method for the Analysis of Deep Cavity and Long Neck

Acoustic Resonators”, Journal of Sound and vibration (2000) 232(4), 823-833, 2000.

DORF, R.C., BISHOP, R.H., Sistemas de controle modernos. 8ª edição, LTC, Rio de

Janeiro, 2001.

DRESNER, T. L., BARKAN, P., “The Aplication of a Two Input Cam-Actued

Mechanism to Variable Valve Timing”, SAE Paper n. 890676, 1989.

EDMINISTER J.A.., Circuitos Elétricos. McGraw Hill, pp 337 – 349 , 1981

EHLEN, M.A., “Economic Impacts of Flow-Control Machining Technologies: Early

Applications in the Automobile Industry”. U.S. Department of Commerce Technology

Administration, NISTIR 6373, pp.1-60, 1999.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

198

ENDO, M., FUTAGAMI, Y., IWAMOTO, J., “Relation between the flow pattern

downstream of duct and the noise”. JSAE Review, Nº 21, pp. 125-132, 2000.

FIGLIOLA, R.S., BEASLEY, D.E., Theory and Design for Mechanical Measurements,

John Wiley & Sons, 1991.

FLECK, R., CARTWRIGHT, A., “Coefficients of Discharge in High Performance

Two-Stroke Engines”, SAE, Paper n. 962534, 1996.

FUJIMOTO, H., NAKAGAWA, T., KUDO, H., WAKISAKA, T., SHIMAMOTO, Y., “A

study on the formation of vertical vortx in the cylinder of na I.C. engine using CFD:

Effect of intake valve closing timing”. JSAE Review, Nº 16, pp. 349-355, 1995.

FUKUTANI, I., WATANABE, E., “Air Flow through Poppet Inlet Valve – Analysis of

Static and Dynamic Flow Coefficients”. SAE Paper, Nº 820154, 1982.

FULFORD, J.M., “Effects of pulsating Flow on Current Meter Performance”. 1

International Conference on Water Resources Engginnering, pp. 1-5, 1995.

GASPARETTI, M., PAONE, N., TOMASINI, E.P., “The application of Laser Dopple

measurement techniques for the simultaneous study of intake flow and valve

kinematics”, Automobili e Motori High -, 2º Convegno Internazionale, 2nd International

Conference, maggio 1996.

GEROPP, D., ODENTHAL, H.J., “Flow rate measurement in turbulent pipe flows with

minimal loss of pressure using a defect-law”. Flow Measurement and Instrumentation,

Nº 12, pp. 1-7, 2001.

GINDELE, J., “The Resolved Investigation of Unsteady Flow Inside Inlet Menifolds

and Characterization of Inlet Flow Behavior”, SAE Paper Nº 972828, 1997.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

199

GOERING, D.J., HUMPHREY, J.A.C., GREIF, R., “The dual influence of curvature

and bouyancy in fully developed tube flows”. Elsevier Science Ltd, PII: S0017-

9310(96)00248-7, pp.2188-2197, 1996.

GONÇALVES Jr., A.A., Metrologia, Parte I., Laboratório de Metrologia e

Automatização, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa

Catarina, 1999.

GRAIG, J.J., Introduction to robotics - mechanics and control. 3rd edition, Prentice

Hall, New Jersey, 2005.

Guia para Expressão da Incerteza de Medição, “Comitê Internacional de Pesos e Medidas”,

Impresso pelo Programa RH – Metrologia , 1996.

HALL, D.E., Basic Acustics, Harper & Row, Publishers Inc., 1987.

HANRIOT M. Sergio, “Estudo dos fenômenos pulsantes do escoamento de ar nos

condutos de admissão em motores de combustão interna”, Tese de Doutorado,

Departamento de Engenharia Mecânica, UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2001.

HANRIOT, S. M., VALLE, R. M., MEDEIROS, M. A. F., “Estudo experimental dos

fenômenos pulsantes em um coletor de aspiração de tubo reto de um motor de

combustão interna alternativo”, Anais do IV Congresso Iberoamericano de Ingenieria

Mecânica, Santiago do Chile, Cidim 1999.

HARA, S., HIDAKA, A., TOMISWA, M., NAKAMURA, N., TODO, T., TAKEMURA,

S., NOHARA, T., “Application of a Variable Valve Event and Timing System to

Automotive Engines”. SAE Paper, Nº 2000-01-1224, 2000.

HAYKIN, S., VEEN, B.V., Sinais e sistemas. Reimpressão, Bookman, Porto Alegre,

2002.

HEISLER, H., Advanced Engine Technology, SAE International, 1995.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

200

HÉMON, P., SANTI, F., AMANDOLESEET, X., “On the pressure oscillations inside a

deep cavity excited by a grazing airflow”, European Journal of Mechanics B/Fluids 23

(2004) 617- 632, 2004.

HEYWOOD, J.B., Internal Combustion Engines Fundamentals – McGraw Hill, 1988.

HIGASHIYAMA, J., IWAMOTO, J., “Experimental study of exahust noise generated

by pulsating flow downstream of pipe end”. JSAE Review, Nº 20, pp. 73-79, 1999.

HWANG, K.S., SUNG, H.J., HYUN, J.M., “Flow and mass transfer measurements for

a flat plate of finite thickness in pulsating flow”. Int. J. of Heat and Mass Transfer, N º

41, pp. 2827-2836, 1998.

JANKOVIC, M., MAGNER, S.W., “Cylinder air´charge estimation for advanced

intake valve operation in variable cam timing engines”. JSAE Review, N 22, pp. 445-

452, 2001.

JAYANTI, S., HEWITT, G.F., “Response of turbulent flow to abrupt changes in

surface roughness and its relevance in horizontal annular flow”. Appl. Math

Modelling, Vol. 20, pp. 244-251, 1996.

JEONG, J.H., NO, H.C., “Experimental Study of the Effect of Pipe Length and Pipe-

End Geometry on Flooding”. Int. J. Multiphase, Vol. 22, Nº 3, pp. 499-514, 1996.

KANEKO M., MORIKAWA K., ITOH J., SAISHU Y., “Study on Homogeneous

Charge Compression Ignition Gasoline Engine”, The Fifth International Symposium on

Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines (COMODIA

2001), July 1 a 4, Nagoya, 2001.

KANG, K.Y., BAEK, J. H., “Turbulence characteristics of tumble flow in a four-valve

engine”. Experimental Thermal and Fluid Science, Nº 18, pp. 231-243, 1998.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

201

KANG, K.Y., REITZ, R.D., “The effect of intake valve alignment on swirl generation

in a DI diesel engine”. Experimental Thermal and Fluid Science, Nº 20, pp. 94-103, 1999.

KIM, Y.S., LEE, D.J., “Numerical analysis of internal combustion engine intake noise

with a moving piston and valve”. Journal of Sound and Vibration,245(5), pp. 895 – 912,

2001.

KINSLER, L.E., Fundamentals of Acoustics, John Wiley & Sons, 1980.

KLINE, S. J. E MCCLINTOCK, F. A., “Describing Uncertainties im Single Sampl

Experiments, Mechanical Engineering”, Vol. 75, pp. 3-8, 1953.

KOSTUN, J.D., LIN, J.S., “Effect of resonator location on resonator effectiveness

using NASTRAN mode shape prediction analysis and LAMPS acoustic model”, SAE

Paper Nº 940614, 1994.

LEONHARD, W., Control of Electrical Drives. 3rd edition, Springer, Berlin, 2001.

LENZ, H. P., GERINGER, B., SMETANA, G., Dachs, A., “Initial Test Results of an

Hydraulic Variable – Valve Actuation System on a Firing Engine”, SAE, Paper n.

890678, 1989.

LIU F., HOROWITZ S., NISHIDA T., CATTAFESTA L. and SHEPLAK M., “A

Tunable Electromechanical Helmholtz Resonator”, AIAA 2003-3145 9th AIAA/CEAS

Aeroacoustics Conference and Exhibit 12-14 May 2003, Hilton Head, South Carolina,

2003.

LYUBIMOV, D., CHEREPANOV, A., YUBIMOVA, T., “Behavior of a drop (bubble in

a non-uniform pulsating flow”. Elsevier Science Ltd, PII: S0273-117(01)00669-X,Vol.

29, Nº4, pp.667-672, 2002.

Manual do Conversor de Freqüência CFW-05, Weg Automação Ltda, 1997.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

202

MARVIN, C.F., “Combustion time in the engine cylinder and its effect on engine

performance”. Report Nº 276, National Advisory Committee for Aeronautics, pp.391-

406.

MONGEAU, L., BEZEMEK, J., DANFORTH, R., “Pressure fluctuations in a Flow-

Excited Door Gap Cavity Model”. SAE Paper Nº 971923, 1997.

MONKEWITZ, P.A., AND NGUYEN-VO, N., “The response of Helmholtz resonators

to external excitation. Part 1. Single resonators”. Journal Fluid Mech, Vol. 151, pp.

477-497, 1985.

MORAES, P. S. M.; PEREIRA, L.V. M.; HANRIOT, S. M. “Análise da Influência de

uma Junção em Condutos de Admissão”. In: III Congresso nacional de Engenharia

Mecânica, 2004, Belém. III Congresso nacional de Engenharia Mecânica, 2004. v. 1. p. 1-

10.

MOHAN, N., UNDELAND, T. M., ROBBINS, W. P., Power electronics: converters,

applications, and design. 3rd edition, John Wiley & Sons, New York, 2003.

MOREL, T., SILVESTRI, J. J., COSTELLO M., “Study of Intake System Wave

Dynamics and Acoustics by Simulation and Experiment”, SAE Paper Nº 940206, 1994.

MORSE, P.H., BODEN, R.H. e SCHECTER, H., “Acoustic vibrations and internal

combustion engine performance”, Journal of applied Physics, Vol. 9, January, 1938.

NAGUNO, S., HARA, S., “Study of fuel economy improvement through control of

intake valve closing timing: cause of combustion deteriotation and improvement”.

JSAE Review, Nº 16, pp.13-19, 1995.

NISHIO, Y., KOHAMA, T., KURODA, O, “New approach to low-noise air intake

system development”, SAE Paper Nº 911042, 1991.

NOWAKOWSKI J., SOBIESZCZANSKI M., “Inlet System Choice of Spark Ignition

Engine Based on Numerical Analysis of Filling a Cylinder”, 1999.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

203

OBERT, E. F., 1971, Motores de Combustão Interna, Rio Grande do Sul, Brasil, Editora

Globo.

OHATA, A., e ISHIDA, Y., “Dynamic inlet pressure and volumetric efficiency of four-

cycle cylinder engine”, SAE Paper Nº 820407, 1982.

OGATA, K., Engeharia de controle moderno, Prentice-Hall, 1997.

OLIVEIRA C. R., “Active Noise Control Applied in Automotive Vehicles”, SAE Paper,

N° 982889, 1998.

OLIVEIRA, J.C. , Controle de velocidade de Motor de corrente contínua alimentado

por conversor reversível C.A./C.C. - Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia,

Belo Horizonte, UFMG, 1980.

OSHKAI, P., Geveci, M., Rockwell, D., Pollack, M., “Imaging of acoustically coupled

oscillations due to flowpast a shallow cavity: effect of cavity length scale”, Journal of

Fluids and Structures 20 (2005) 277–308, JFS 20/2005.

PAFFRATH H., ALEX, M. and HUMMEL K., “Technology for Future Air Intake

Systems”, International Congress and Exposition Detroit, Michigan March 1-4, 1999.

PANTON, R.L., MILLER, J. M., “Resonant frequencies of cylinder Helmholtz

reonators”, J. Acoust. Soc. AM., Vol. 57, Nº 6, pp. 1533 – 1535, Part II, June 1975.

PAYRI, F., DESANTES, J.M., and TORREGROSA, A.J., “Acoustic boundary condition

for unsteady one-dimensional flow calculations”, Journal of Sound and Vibration, Vol.,

188(1), pp. 85, 1995.

PEARSON R. J., WINTERBONE, D. E. “A Rapid Wave Action Simulation Technique

for Intake Manifold Design”, International Congress and Exposition Detroit, Michigan

February 26 – March 2, 1990.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

204

PEARSON R. J., BASSETT, M. D., BATTEN P. and WINTERBONE D. E., “Multi-

Dimensional Wave Propagation in Pipe Junctions”, International Congress and

Exposition Detroit, Michigan March 1-4, 1999.

PEREIRA, L. V. M., “Análise Experimental da Defasagem de Abertura das Válvulas

de Admissão em Motores de Combustão Interna”, Dissertação de Mestrado, Instituto

Politécnico da Universidade Católica, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2004.

PEREIRA, L. V. M., PINTO, A. A., HANRIOT, S. M., SODRÉ, J. R., RODRIGUES, E.

C., “Analyis of the Fluid Flow in Two Intake Pipes with a Junction” . In: COBEM

2003 - 17th International Congress of Mechanical Engineering, 2003, São Paulo.

Proceedings of the 17th International Congress of Mechanical Engineering. Rio de Janeiro:

ABCM, 2003. v. 1. p. 1-9.

PEREIRA, L. V. M, PIRES, L. B. M., PINTO, A.A., HANRIOT, S. M., SODRÉ, J. R.,

“Effects of Intake Valves Phase Shift on Engine Air Charge”. In: SAE. (Org.). New

Powertrain Systems and Components (SP-1902). Warrendale, PA, USA, 2004, v. , p. 1-8.

PEREIRA, L.V.M, Valle, R. M., HANRIOT, S. M., “Influência de um Ressonador de

Volume Variável no Desempenho de um Motor de Combustão Interna”, 8º Congresso

Iberoamericano de Engenharia Mecânica, CIBIM8-0714- 2007.

PEREIRA, L.V.M, Valle, R. M., HANRIOT, S. M., GUIMARÃES, L. M., “Influência de

um Ressonador de Volume Variável no Desempenho de um Motor de Combustão

Interna”, V Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, CON08-0360 - 2007.

PETER, B., GOSMAN, A.D., “Numerical simulation of unsteady flow in engine intake

manifolds”, SAE Paper Nº 930609, 1993.

PIERRIK, R.J. e BURKHARD, J. F., “Design and Development of a Mechanical

Variable Valve Actuation System”, Variable Valve Actuation 2000 – SAE, 2000-01-

1221, pág. 19-26, 2000.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

205

PINTO F. A. N. C., PACHECO W. S., “Sound Quality of Exhaust Pipes Through Semi-

Active Noise Control”, XV Congresso e Exposição Internacional da Tecnologia da

Mobilidade São Paulo, Brasil, Paper SAE Brasil n. 2006-01-2575, 2006.

PIRES, L. B. M. , PEREIRA, L. V. M., GUIMARAES, L. M., HANRIOT, S. M., “Efeitos

da Defasagem de Abertura das Válvulas de Admissão na Eficiência Volumétrica de

Motores”. In: CIBEM6 - VI Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica, 2003.

POLONI, M., WINTERBONE, D.E., and NICHOLS, J.R., “Calculation of pressure and

temperature discontinuity in pipe by the method of characteristics and the two-step

differential Lax-Wendroff method”. ASME Conference, Boston, 13th-18th December

1987. FED-Vol., 62, pp. 1-7, 1987.

POLONI, M., WINTERBONE, D.E., and NICHOLS, J.R., “Comparision of unsteady

flow calculations in a pipe by the method of characateristics and the two-step

differential Lax Wendroff method”. Intl.Inl. of Mechanical Sciences, Vol. 29, N5, pp.

367 – 378, 1987.

PORGES, G., Applied Acoustics. Edward Arnold, 1977.

RODRÍGUEZ, A. J. D., “Estudo Experimental da Influência do Movimento das

Válvulas e dos Pistões no Escoamento de Ar dos Condutos de Admissão de Motores a

Combustão Interna”, Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica,

UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2006.

ROSELLÓ, M.D., SERRANO, J.R., MARGOT, X., and ARNAU, J.M., “Analytic

Numerical Approach to Flow Calculation in intake and Exhaust Systems of Internal

Combustion Engines”. Mathematical and Computer Modelling, Nº 36, pp. 33-45, 2002.

SCHIRM, Eduardo, “Aceleração do Motor através da Variação do Ângulo de

Abertura da Válvula de Admissão”, Dissertação de Mestrado, Departamento de

Engenharia Mecânica, UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2003.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

206

SCHLICHTING, H., Boundary layer thory, 6th Edition, Ms. Graw-Hill, 1968.

SCHUCHARDT, M.E., DEAR, T., INGARD, K.U., “An air induction system for a four-

cylinder engine: design, noise control and engine efficiency”, SAE Paper Nº 931317,

1993.

SEIXAS, P.F., MENDES, M.A.S., “Aritmética de Ponto Fixo”. Transparências da

disciplina Técnicas de Comando e Instrumentação em Eletrônica de potência, UFMG,

2005.

SELAMET, A., “Averaged and time-resolved heat transfer of steady and pulsating

entry flow in intake manifold of a spark-ignition engine”, Journal of Heat and Fluid

Flow, Nº 19, pp. 1-9, 1995.

SELAMET, A., KOTHAMASU, V., NOVAK, J.M., “Insertion loss pf a Helmholtz

resonator in the intake system of internal combustion engines: na experiemntal and

computational invetigation”. Applied Acoustics, Nº 62, pp. 381-409, 2001.

SELAMET, A., RADAVICH, M., “Helmoltz resonator: A multidimensional analytical

computational, and experimental study”, SAE Paper Nº 951263, 1995.

SEN, P.C., Thyristor DC Drives, Krieger Publishing Company, Malabar, 1991.

SEYBERT, A.F., SOENARKO, B., RIZZO, F.J., SHIPPY, D.J., “An advanced

computational method for radiation and scattering of acoustic waves in three

dimensions”. J. Acoustic. Soc. Am, Nº 77, pp. 362-368, 1985.

SHEN, F.Z., BACKER, G., SIMON S., “Exhaust tips Design Analysis”. SAE Paper, Nº

971518, 1997.

SHER, E., BAR-KOHANY, T., “Optimization of variable valve timing for maximizind

performance of na unthrottled SI engine a theoretical study”. Energy, Nº 27, pp. 757-

775, 2002.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

207

SCHUCHARDT, M.E., DEAR, T., INGARD, K.U., “An air induction system for a four-

cylinder engine: design, noise control and engine efficiency”, SAE Paper Nº 931317,

1993.

SIQUEIRA, C. R., KESSLER M. P., ARAÚJO, L. A.R., RODRIGUES, E. C. “Three-

dimensional Transient Simulation of an Intake Manifold using CFD Techniques”.

SAE Brasil Paper Nº 2006-01-2633, 2006”.

SOARES, S.M.C., “Efeitos da Temperatura, Pressão e Umidade do Ar Atmosférico no

Desempenho de um Automóvel”, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação

em Engenharia Mecânica, PUC Minas, Belo Horizonte, MG, Brasil, 2000.

SODRÉ, J.R., HANRIOT, S.M., PEREIRA, L..V.M., PIRES, Luciana B.M., PINTO, A.A.,

“Efeitos da Defasagem de Abertura das Válvulas de Admissão na Carga de Ar

Induzida em um Motor de Combustão Interna”. In: SAE Brasil 2004 - XIII

International Mobility Technology Conference and Exhibit, 2004, São Paulo. SAE

Technical Paper Series. Warrendale, PA : Society of Automotive Engineers, Inc., 2004. p.

1-11.

STEGGEL, N., ROCKLIFF, N., “Simulation of the effects of body shape on lock-in

characteristcs in pulsating flow by the discrete vortex method”, Journal Wind

Engineering and Industrial Aerodynamics, Nº 69-71, pp. 317-329, 1997.

SUN, R., GLEASON, M., RAHMAN, S., and PARAMESWARAN, S., “Can the k – ε

Model Withstand the Challenges Posed by Complex Industrial Flows”. SAE Paper, Nº

971516, 1997.

TEXAS INSTRUMENTS - TI : TMS320C2x/C2xx/C5x Optimizing C Compiler User's

Guide - SPRU024E, 1999.

TEXAS INSTRUMENTS - TI : TMS320LF/LC240xA DSP Controllers – Reference

Guide - System and Peripherals - SPRU357B, 2001.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

208

TEXAS INSTRUMENTS - TI : TMS320LF/LC240xA DSP Controllers – Reference

Guide - CPU and Instruction Set - SPRU160C, 1999.

THOMAS, A.M., NARAYANAN, R., “A comparison between the enhanced mass

transfer in boundary and pressure driven oscillatory flow”. Int. J. of Heat and Masss

Trnsfer, Nº 45, pp. 4052-4062, 2002.

TIPPELMANN, G., “Anew method of investigation of swirl ports”, SAE Paper Nº

770404, 1977.

THEDE, L., Practical Analog And Digital Filter Design. Artech House,Inc., 2004.

TSUI, Y., CHENG, H.P., “Tumbling flow in loop-scavenged two-stroke engines”,

ASME Transactions, Vol. 117, pp. 628 – 632, 1995.

URATA, Y., UMIYAMA, H., SHIMIZU, K., FUJIYOSHI, Y., SONO, H., FUKUO, K.,

1993, “A Study of Vehicle Equipped whit Non-Throttling S.I. Engine with Early

Intake Valve Closing Mechanism”, SAE, Paper n.930820.

United State Patente, Kopper, J. S., “Acoustical Resonance Apparatus for Increasing

the Power Output of an Internal Combustion Engine”, Patente Number 3,254,484,

June. 7, 1966.

United State Patente, Fukami, N.Y., Sawada, K. T., Kinkori, O. S., “Resonator for

Internal Combustion Engines”, Patente Number US 4,546,733, Oct. 15, 1985.

United State Patente, Marks, P. C., Katra, T. S., “Multiple Frequency Helmholtz

Resonator”, Patente Number US 7,055,484 B2, Jun. 6, 2006.

VACULIK R., “Air Management Flap with Integrated Electrical Actuator ”, SAE

2001 World Congress Detroit, Michigan March 5-8, 2001.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

209

VAFIDIS, C., and WHITELAW, J.H., “Intake Valve and In-cylinder Flow

Development in a Rciprocating Model Engine”, Proc. Imech, C200, 143, 1986.

VAFIDIS, C., and WHITELAW, J.H., XU, H.M., “Conditional and Frequency Analyses

of LDV Signals from a Gas-Fuelled Engine”, Proc. 6th Int. Symp. On applications of

Laser Techniques to Fluid Mechanics, McGarw Hill Inc, 1994.

VIJAYAN, M., JAYANTI, S., and BALAKRISHNAN, A.R., “Effect of tube diameter

on flooding”. International Journal of Multiphase Flow, Nº 27, pp. 797-816, 2001.

ZOCCOLA Jr P.J., “Effect of opening obstructions on the flow-excited response of a

Helmholtz resonator”, Journal of Fluids and Structures 19 (2004) 1005–1025, 2004.

Van Wylen, G., Sonntag, R, Borgnakke, C., “Fundamentos da Termodinâmica” Edgard

Blucher, Sexta Edição, 2003.

WECLAS, M., MELLING, A., and DURST, F., “Flow separation in the inlet valve gap

of piston engines”. Elsevier Science Ltd. PII: S0360-128597-00023-3, pp165-195, 1998.

WHITE, F.M., Fluid Mechanics, Mcgraw Hill Inc, 1994.

WINTERBONE, D.E., WORTH, D., and NICHOLS, J.R., “A comparison of synthesis

and analysis models for ware action manifolds”. Proc. Of the Imech, C372/037, 1989.

WINTERBONE, D.E.,YOSHITOMI, M., “Theaccuracy of calculating wave action in

engine intake manifolds”, SAE Paper Nº 900677, 1990.

Anexo A

Modelo das tabelas para aquisição de dados

Banco de Fluxo (Tabela A.1) e Dinamômetro de Bancada (Tabela A.2)

TABELA A.1 – Modelo das tabelas para aquisição de dados no banco de fluxo

BANCO DE FLUXO - Convênio PUC Minas / FIAT Automóveis S.A.

Relatório de Ensaio - 1 Ciclo

______________________________________________________________________________

Arquivo : teste 70 -2006

Descriçäo : Conduto de admissão reto

Solicitante: Prof. Sérgio de Moraes Hanriot / Prof. Leonardo V

inícius

Operador : Leonardo Vinícius Mendes Pereira

------------------------------------------------------------------------- --------- ---------- -------------

------------

Registros : 755 Computador de Fluxo:

Amostragem : 00:00:00.0001 Pressäo Diferencial: 23.0 mmHg

Duraçäo : 00:00:00.0754 Pressäo Absoluta : 688 mbar

T ambiente : 23.0 °C Temperatura : 25.6 °C

T tanque : 22.8 °C Vazäo Volumétrica : 10.9 l/s

Rotaçäo : 1592 RPM Vazäo Volum. STP : 6.2 l/s

Válvulas V1: 90°

V2: 0° Data: 28/04/06

V3: 90° Hora: 17:11:27

________ ________ ______ ___ _____ ______ ______ ______ ______

Registro Instante Angulo RPM V Mas P1 P2 P3 P4

graus g/s bar bar bar bar

________ ________ ______ ___ _____ ______ ______ ______ ______

1 0 0 1592 7,6 -0,074 -0,11 -0,181 -0,092

2 0,0001 0 1592 7,6 -0,074 -0,11 -0,168 -0,096

3 0,0002 0 1592 7,6 -0,074 -0,11 -0,168 -0,096

4 0,0003 0 1592 7,6 -0,03 -0,11 -0,168 -0,096

5 0,0004 0 1592 7,6 -0,03 -0,061 -0,168 -0,096

6 0,0005 0 1592 7,6 -0,03 -0,061 -0,155 -0,099

7 0,0006 0 1592 7,6 -0,03 -0,061 -0,155 -0,099

8 0,0007 0 1592 7,6 0,017 -0,061 -0,155 -0,099

9 0,0008 0 1592 7,6 0,017 -0,011 -0,155 -0,099

10 0,0009 0 1592 7,6 0,017 -0,011 -0,136 -0,101

11 0,001 0 1592 7,6 0,017 -0,011 -0,136 -0,101

12 0,0011 0 1592 7,6 0,063 -0,011 -0,136 -0,101

13 0,0012 6 1592 7,6 0,063 0,039 -0,109 -0,101

14 0,0013 6 1592 7,6 0,063 0,039 -0,109 -0,103

15 0,0014 6 1592 7,6 0,103 0,039 -0,109 -0,103

16 0,0015 6 1592 7,6 0,103 0,089 -0,109 -0,103

17 0,0016 6 1592 7,6 0,103 0,089 -0,075 -0,103

18 0,0017 6 1592 7,6 0,103 0,089 -0,075 -0,103

19 0,0018 6 1592 7,6 0,141 0,089 -0,075 -0,103

20 0,0019 12 1592 7,6 0,141 0,134 -0,075 -0,103

Dados do experimento

PROJETO SUPPORT TO FIASA TIME GIRO PME PCV_ABNT TKG_ABNT POT_CV TORQUE_K TORQUE_N

N_MOTOR 2870055 hhmmss rev/min kgf/cm2 cv kgfm cv kgfm Nm

EPROM D0708G45_FPT_6_E22 11:06:29 5996 7,583 76,7 9,2 69,1 8,25205 80,95264

APLIC Leonardo Guimarães da Mata 11:08:46 5750 8,147 79,1 9,8 71,2 8,86634 86,97878

SOLICIT Leonardo Vinícius Mendes Pereira 11:10:42 5496 8,57 79,5 10,4 71,6 9,32599 91,488

OPERATOR R.BRAZ 11:12:27 5256 8,951 79,4 10,8 71,5 9,74159 95,56503

CELA 4 11:14:01 5004 9,319 78,7 11,3 70,9 10,14198 99,49287

T_PROVA CURVA DE POTENCIA OTIMIZADA. 11:15:23 4748 9,731 78,0 11,8 70,2 10,59 103,88789

TIP_COMB GASOLINA C 11:16:42 4495 10,078 76,4 12,2 68,9 10,96755 107,59167

TIP_OIL 5W30 11:18:09 4249 10,245 73,4 12,4 66,2 11,14951 109,37672

COMEND1 Configuração do ressonador no coletor. 11:19:43 4013 10,246 69,3 12,4 62,5 11,15009 109,38238

COMEND2 Ressonador com 4,41 litros. 11:21:07 3751 10,204 64,4 12,3 58,2 11,10483 108,93835

DATE 17/nov/07 11:22:20 3509 10,211 60,3 12,3 54,5 11,11233 109,01193

TIME 11:35:40 11:23:31 3254 10,135 55,5 12,2 50,1 11,02921 108,19659

PRIMARIO 55199867 11:24:37 2996 10,188 51,3 12,3 46,4 11,08745 108,76788

INTERMED 51766538 11:26:16 2750 10,34 47,8 12,4 43,2 11,25288 110,3908

TERMINAL 51765397 11:27:50 2492 10,36 43,4 12,5 39,2 11,27434 110,60124

SOND_LAM OZA 532 11:29:39 2254 9,848 37,3 11,8 33,7 10,71747 105,13843

FILT_AR 46461484 11:30:59 1995 9,1 30,5 10,9 27,6 9,90349 97,15329

MANGUEIR 51727082 11:32:22 1743 9,065 26,5 10,9 24,0 9,86556 96,78117

TOM_AR 55195719 11:34:07 1502 9,158 23,1 11,0 20,9 9,96644 97,7708

Identificação do experimento

TABELA A.2a – Modelo das tabelas para aquisição de dados no dinamômetro de bancada

Dados do experimento

TIME GIRO ESP_CONS EFF_CONS LAMBDA_T IGN_ADV T_CATAL T_INJ C_P_SCAR P_ADM_HG P_ASP_AG ETASP AIR_FUEL FAT_ABNT

hhmmss rev/min g/CVh kg/h - Graus °C ms mmHg mmHg mmH2O % - -

11:06:29 5996 247,73 17,122 0,863 25 884 9,282 210,61 -18,2 -53 0,658 11,42 1,11

11:08:46 5750 239,83 17,078 0,87 25 882 9,282 209,47 -19,2 -53 0,69 11,47 1,111

11:10:42 5496 238,61 17,082 0,848 23 868 10,27 206,18 -18,5 -52 0,715 11,19 1,11

11:12:27 5256 224,38 16,045 0,881 21 891 10,252 201,25 -16,7 -51 0,74 11,63 1,11

11:14:01 5004 218,02 15,455 0,881 19 885 10,408 192,65 -15 -49 0,759 11,63 1,111

11:15:23 4748 214,65 15,073 0,889 18 876 10,536 181 -13,8 -46 0,786 11,73 1,11

11:16:42 4495 210,32 14,483 0,892 18 868 10,806 167,95 -12,7 -42 0,807 11,78 1,11

11:18:09 4249 199,38 13,194 0,902 17 863 10,778 152,74 -11,3 -38 0,82 11,88 1,109

11:19:43 4013 207,58 12,974 0,893 16 840 10,73 135,25 -9,8 -34 0,834 11,81 1,109

11:21:07 3751 212,26 12,348 0,88 16 805 10,62 115,33 -8,1 -29 0,833 11,65 1,108

11:22:20 3509 205,72 11,203 0,891 16 792 10,404 98,79 -6,5 -25 0,814 11,79 1,107

11:23:31 3254 227,43 11,401 0,898 17 770 10,118 82,91 -4,7 -21 0,783 11,88 1,107

11:24:37 2996 214,16 9,936 0,9 17 753 10,118 71,16 -4,4 -19 0,783 11,89 1,106

11:26:16 2750 193,66 8,37 0,931 17 766 9,97 63,26 -4,8 -17 0,787 12,2 1,106

11:27:50 2492 194 7,614 0,9 14 728 10,118 56,21 -5,3 -14 0,816 11,92 1,105

11:29:39 2254 193,97 6,545 0,94 14 697 9,326 46,44 -4,6 -9 0,828 12,46 1,105

11:30:59 1995 196,77 5,429 0,95 14 696 8,794 44,01 -3 -6 0,803 12,56 1,105

11:32:22 1743 216,11 5,191 0,953 13 671 8,736 35,04 -1,9 -5 0,77 12,6 1,104

11:34:07 1502 167,19 3,496 0,948 10 639 8,926 26,41 -1,3 -3 0,782 12,52 1,104

TABELA A.2b – Modelo das tabelas para aquisição de dados no dinamômetro de bancada

Dados do experimento

TIME GIRO P_BARO P_COMB P_OLEO T_AR_ADM T_AR_ASP T_B_SECO T_B_UMID T_E_AGUA T_E_OLEO T_OLEO T_S_AGUA UMID_REL

hhmmss rev/min mBar Bar Bar °C °C °C °C °C °C °C °C %

11:06:29 5996 914,9 3,5 3,41 25 22 17 12 76 128 226 94 61,7

11:08:46 5750 915 3,5 3,42 26 23 18 12 75 127 226 93 60,5

11:10:42 5496 915 3,5 3,45 26 23 18 12 74 126 226 92 59,7

11:12:27 5256 915 3,5 3,47 25 23 18 12 74 124 227 92 59,3

11:14:01 5004 915 3,5 3,48 25 23 18 12 75 123 227 93 59

11:15:23 4748 915,1 3,5 3,47 25 23 18 12 74 122 227 93 58,9

11:16:42 4495 915,1 3,5 3,47 25 23 18 12 74 120 361 92 58,8

11:18:09 4249 915,2 3,5 3,45 25 22 18 12 73 119 284 92 58,7

11:19:43 4013 915,1 3,5 3,4 25 22 18 12 73 117 272 92 58,6

11:21:07 3751 915,1 3,51 3,33 24 22 18 12 72 115 364 91 58,5

11:22:20 3509 915,1 3,51 3,22 24 22 18 12 72 113 252 90 58,5

11:23:31 3254 915,1 3,51 3,07 24 21 18 12 72 111 236 91 58,5

11:24:37 2996 915,2 3,51 2,96 24 21 18 12 72 109 235 91 58,5

11:26:16 2750 915,2 3,51 2,75 25 21 18 12 72 107 235 92 58,6

11:27:50 2492 915,2 3,51 2,55 26 21 18 12 73 105 235 93 58,7

11:29:39 2254 915,2 3,52 2,35 26 21 18 12 73 102 235 93 58,8

11:30:59 1995 915,2 3,52 2,15 25 20 17 12 72 100 235 92 58,9

11:32:22 1743 915,2 3,52 1,93 24 20 17 12 71 96 235 91 59

11:34:07 1502 915,2 3,52 1,72 24 20 17 12 71 92 235 91 59,1

TABELA A.2c – Modelo das tabelas para aquisição de dados no dinamômetro de bancada

Anexo B

Modelo da tela de interface do controle eletrônico

aplicado ao ressonador de palheta

216

TABELA B – Tela de interface do controle eletrônico do ressonador implementado

Apêndice I

I.1 Análise de incerteza dos dados obtidos no Banco de Fluxo

A incerteza das curvas de pressão e vazão dos testes do banco de fluxo é função da incerteza

de dois parâmetros: a pressão medida pelos transdutores de pressão e a vazão medida pelo

medidor laminar de vazão. As incertezas foram calculadas pela metodologia de Kline e

McClintock (1953).

I.1.1 Incerteza para a medição de vazão

A incerteza da medição de vazão é proveniente do medidor de vazão e do computador de

fluxo. A incerteza do medidor de vazão é fornecida pelo fabricante, sendo igual a ± 1,15 % do

valor final de escala (100 l/s). O computador de fluxo apresenta incerteza de medição

fornecida pelo fabricante igual a ± 0,36 % do valor final de escala (200 l/s).

(

)

(

)

(

)

xUxUxxU

Vazão

±=±

( ) ( )

xxU

Vazão

200*

100

36,0

100*

100

15,1

























Vazão

slU

Vazão

/3568,1

I.1.2 Incerteza para a medição de pressão

Os transdutores de pressão possuem faixa de –1 a +2 bar, com incerteza de medição fornecida

pelo fabricante igual a ± 0,25 % do valor final de escala. Associada a essa incerteza do

fabricante tem-se a incerteza referente a reprodutibilidade na realização dos experimentos,

sendo que cada valor está associado a média de 15 valores e o desvio padrão.

Apêndice I 218

Tabela dos valores do teste de pressão para rotação de 1600 rev/min:

Leitura Indicação

0,309

0,311

0,308

5 0,309

0,309

0,310

0,308

9 0,306

0,308

0,310

0,311

0,308

0,307

0,308

Média 0,310

Desvio padrão

0,0014

Análise de incerteza referente ao teste realizado:

Fontes de incertezas Efeitos sistemáticos

Efeitos aleatórios

Símbolo

Descrição Correção Valor bruto

Tipo de distribuição Divisor

Re Repetitividade 0,0004 normal 1,0 0,0004

R Resolução 0,0005 uniforme 1,7 0,0003

infinito

Correção combinada 0,0000

Incerteza padrão combinada normal 0,0005

95%

Incerteza expandida (95%) normal 0,0009

barU

essão

0009,0

I.2 Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da PUC Minas

A incerteza das curvas de torque, potência e consumo específico dos experimentos realizados

no dinamômetro de bancada são provenientes da incerteza de cinco parâmetros: a força

medida, a rotação do motor, o raio do dinamômetro, do medidor de vazão volumétrica e do

densímetro. As incertezas foram calculadas pela metodologia de Kline e McClintock (1953).

I.2.1 Incerteza para a medição de força

Os experimentos foram realizados com um sistema pneumático de medição de força original

do dinamômetro.

Apêndice I 219

Fontes de incertezas Efeitos sistemáticos

Efeitos aleatórios

Símbolo

Descrição Correção (N) Valor bruto (N)

Tipo de distribuição Divisor

U (N)

R Resolução 2,45 uniforme 1,7 1,42

infinito

Correção combinada 0,00

Incerteza padrão combinada normal 1,42 infinito

95%

Incerteza expandida (95%) normal 2,83

U(F) = ± 2,83 N

I.2.2 Incerteza para a medição de rotação

U(n) = ± 3,06 rev/min

I.2.3 Incerteza do raio do dinamômetro

A distância entre o ponto de aplicação da força e o centro (conforme manual do dinamômetro)

é 0,71619 m com uma incerteza de medição de ± 0,00001 m.

U(R) = ± 0,00001 m

I.2.4 Incerteza para a medição de torque

A incerteza do cálculo do torque foi calculada por:

),( RFfT

mNT .85,83

Fontes de incertezas Efeitos sistemáticos

Efeitos aleatórios

Símbolo

Descrição Correção Valor bruto

Tipo de distribuição Divisor

n (rev/min)

U Incerteza do medidor 3,00 uniforme 2,0 1,50 infinito

R Resolução 0,50 uniforme 1,7 0,29 infinito

Correção combinada 0,00

Incerteza padrão combinada normal 1,53 infinito

95%

Incerteza expandida normal 3,06

Apêndice I 220

( ) ( )

























∂

























∂

±= RU

Torque

( )( ) ( )( )

** RUFFURU

Torque

Como foi utilizado o padrão da norma NBR 1585. (ABNT, 1996), a incerteza total admissível

não pode ser maior que ±1% em todas as regiões de forças nas quais foi realizado o

experimento. Portanto se calculada a incerteza do torque a partir do ponto de maior força,

117,09 N para a rotação 5754 rev/min, valor medido para teste com o sistema de admissão

referência sem ressonador.

( ) ( )

0,00001*117,09 83,2*71619,0 +=

Torque

mNU

Torque

.027,2

I.2.5 Incerteza para a medição de potência

A incerteza associada à potência foi a incerteza calculada para o torque efetivo combinada

com a incerteza associada ao tacômetro e com a incerteza relacionada ao padrão adotado:

),( nTfP

1000

***2 nT

cvkWP 7543,675244,50

( ) ( )

























∂

























∂

±= nU

Potência

( ) ( )

1000*60

**2

1000*60

**2

























= nU

Potência

ππ

Apêndice I 221

06,3*

1000*60

85,83**2

027,2*

1000*60

5754**2

























ππ

Potência

cvkWU

Potência

6383,12217,1

I.2.6 Incerteza para a medição de consumo específico

A incerteza associada ao consumo específico foi a incerteza associada ao densímetro

combinada com a incerteza associada ao medidor de vazão volumétrica e com a incerteza

calculada para a potência:

),,( VPfCe

Para o cálculo da incerteza associada ao densímetro, os dados do teste para verificação da

densidade relativa do combustível para a temperatura de 21ºC (Laboratório de Mecânica dos

Fluidos – PUC Minas):

Leitura Indicação

1 0,76

2 0,77

3 0,76

4 0,76

5 0,75

6 0,76

7 0,76

8 0,75

9 0,77

10 0,76

Média 0,76

Desvio padrão

0,0067

Análise de incerteza referente ao teste realizado:

Fontes de incertezas Efeitos sistemáticos

Efeitos aleatórios

Símbolo

Descrição Correção Valor bruto

Tipo de distribuição

Divisor d

Re Repetitividade 0,0021 normal 1,0 0,0021

R Resolução do densímetro 0,0050 uniforme 1,7 0,0029

infinito

Correção combinada 0,0000

Incerteza padrão combinada

normal 0,0036

95%

Incerteza expandida (95%) normal 0,0073

Apêndice I 222

d = 0,76 e U(d

) =

0,0073 (adimensional)

Para o cálculo da massa específica do combustível, relaciona com a massa específica da água

a mesma temperatura do teste do combustível, 21ºC.

ρ = 998,0 kg/m

e U(ρ

) =

0,1 kg/m

temos :

),( df

água

76,0*0,998

/48,758 mkg=

( )( ) ( )( )

** dUUdU

ρρρ

( ) ( )

0,0073*0,989 1,0*76,0 +=

/2858,7 mkgU =

Cálculo da incerteza associada ao medidor de vazão volumétrica:

Leitura Indicação

155

151

148

Média 149,50

Desvio padrão

2,1213

Apêndice I 223

Fontes de incertezas Efeitos sistemáticos

Efeitos aleatórios

Símbolo

Descrição Correção Valor bruto

Tipo de distribuição

Divisor

V

Re Repetitividade 1,2247 normal 1,0 1,2247

R Resolução 0,0050 uniforme 1,7 0,0029

infinito

Correção combinada 0,0000

Incerteza padrão combinada normal 1,2247

95%

Incerteza expandida (95%) normal 2,5340

= 149,50 Hz e U(V

) =2,5340 Hz

Com a função dada pelo fabricante,

(l/h) = 0,111824 *

(Hz), temos:

= 16,72 l/h e

U(V

) = 0,28 l/h

5244,50

72,16*75848,0

=Ce

kWh

Ce 251,0=

( ) ( )

( )

***

























∂

























∂

























∂

±= VU

(

)

( )

(

)

( )

(

)

(

)

212122

]**[]**[]***[ VUPUVPPUPVU

&&&

ρρρ

−−−

++=

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

]28,0*75848,0*5244,50[

]0072858,0*72,16*5244,50[]2217,1*5244,50*72,16*75848,0[

−

−−

kWh

10*655,4910*9655,4

−−

I.3 Análise de incerteza dos dados obtidos no dinamômetro da FPT

Foi utilizado o padrão da norma NBR 1585. (ABNT, 1996), que estabelece a incerteza total

admissível não excedente a 1% em todas as regiões de forças na qual a verificação foi

Apêndice I 224

realizada neste experimento. Como a maior leitura da força foi de 154,9906 N para a rotação

de 3510 rev/min, no experimento com o ressonador no coletor de admissão em um volume

0,88 litros, a maior incerteza da força (IF) foi de 1,5499 N. O sistema de medição de rotação

deve ter uma exatidão de 0,5 %, conforme a norma NBR 1585 (ABNT, 1996). Como a maior

rotação utilizada nos experimentos foi de 6000 rev/min, a incerteza máxima (In) foi de 30,0

rev/min. A distância entre o ponto de aplicação da força e o centro (manual do fabricante) é

0,7162 m com uma incerteza de medição (IR) de 0,0001 m.

I.3.1 Incerteza para a medição de torque

RFfT

⋅

),(

NmT

0043,111

Então a incerteza do torque (U

Torque

)

( ) ( )

IRFIFRIR

Torque

⋅+⋅±=













⋅













∂













⋅













∂

±=

kgfmNmU

Torque

1132,01101,1 ±=±=

I.3.2 Incerteza para a medição de potência

A incerteza máxima associada à potência é dada pela incerteza máxima calculada para o

torque combinada com a incerteza máxima da rotação (Kline e Mcclintock, 1953):

100060

),(

⋅

⋅⋅⋅

nWfP













⋅













∂













⋅













∂

±= In

Apêndice I

225

100060

1101,12

1101,1

100060

60002













⋅













⋅

⋅⋅













⋅













⋅

⋅⋅

±=

ππ

cvkWIP 9354,06975,0

I.3.3 Incerteza para a medição de pressão média efetiva

A incerteza máxima associada à pressão média efetiva é dada pela incerteza máxima

calculada para o torque potência com a incerteza máxima da rotação e volume dos cilindros

(Kline e Mcclintock, 1953):

),,( nVPfPME

PME

⋅

120

222













⋅













∂













⋅













∂













⋅













∂

±= IN

PME

IPME

120120120













⋅













⋅













⋅













⋅













⋅













⋅

±= In

IPME

6000001368,0

59283120

00000001,0

001368,06000

59283120

5,697

6000001368,0

120













⋅













⋅













⋅













⋅













⋅













⋅

±=IPME

barPaIPME 111,098,11079

Apêndice I

226

I.3.4 Incerteza para a medição do consumo específico de combustível

A incerteza máxima associada ao consumo específico de combustível é dada pela

incerteza relativa à medição da vazão mássica de combustível, obtida por meio de uma

balança eletrônica que possui a incerteza máxima de 0,12 %. Sabendo que a vazão mássica

para o consumo específico máximo encontrado nos testes foi de 19,75 kg/h, então sua

incerteza máxima foi de 0,0237 kg/h. Combinada à incerteza calculada para a potência, tem-

se (Kline e Mcclintock, 1953):

sfc

Pmfsfc

),(













⋅













∂













⋅













∂

±= IP

sfc

Isfc

(

)

[

]

(

)

[

]

IPPmPIsfc

⋅⋅+⋅±=

−−

( )

[

]

( )

[

]

6975,0283,5951,190234,0283,59 ⋅⋅+⋅±=

−−

Isfc

cvhkgkWhkgIsfc /0053,0/0039.0

APÊNDICE II

II.1 Resultados da validação do controle do ressonador eletrônico de volume variável

Para efetuar a validação do controle do ressonador, foi utilizada uma montagem no

Laboratório de Eletrônica de Potência DELT - UFMG. Essa montagem é composta por um

DSP com o software programável, um conversor cc-cc e o ressonador de palheta apresentado

na metodologia.

Os ganhos do controlador PI utilizados foram Kp = 16 e Ki = 0,03, foram realizados testes

com outros ganhos, porém, estes valores apresentaram menor erro e maior estabilidade de

resposta à entrada de grau. A saturação foi estabelecida em ±12V . As Figuras 5.16 a 5.20

mostram as respostas da palheta do ressonador aos ângulos de 30

, 60

, 120

, -120

e 300

respectivamente. É comparada a referência tabelada pela função onde foi aplicado um degrau

unitário com a resposta medida pelo potenciômetro linear, transformado em ângulo entre as

palhetas.

FIGURA II.1 - Resposta experimental a um degrau de 30

de amplitude

APÊNDICE II

228

A Figura II.1 mostra a resposta do sistema controlado durante 1000ms depois de aplicado um

degrau de amplitude 30°, onde o overshoot inicial foi em 31,5°, 1,5° acima da referência, o

que representa 5% de erro. O sinal é estabilizado em 30,5°, representando um erro de 1,7%

após 100 ms. A variação do volume do ressonador, representado pelo erro de 1,7% do ângulo

entre as palhetas, é de 0,01 litros.

A Figura II.2 apresenta a resposta do sistema controlado durante 500ms para a posição de 60

Próximo a 100 ms, a resposta está estabilizada em 63°, que representa um erro de 5%.

FIGURA II.2 - Resposta experimental a um degrau de 60º de amplitude

De forma análoga, a Figura II.3 apresenta a resposta do sistema controlado durante 500ms

para a posição de 120

, e próximo a 180ms a resposta está estabilizada em 123°,

representando um erro de 2,5%.

APÊNDICE II

229

FIGURA II.3 - Resposta experimental a um degrau de 120º de amplitude

FIGURA II.4 - Resposta experimental a um degrau de -120

de amplitude

APÊNDICE II

230

A Figura II.4 mostra a resposta do sistema controlado durante 1000ms depois de aplicado um

degrau de amplitude -120° (de 240° a 120°), representando 3% de erro e estabilizado em

118°, representando um erro de 1,7% após 200 ms.

A Figura II.5 mostra a resposta do sistema controlado ao maior degrau aplicado, com

amplitude de 300°. Não houve o overshoot inicial, estabilizando em 296°, representando um

erro de 1,4% após 300 ms. A variação do volume do ressonador representado pelo erro de

1,4% do ângulo entre as palhetas é de 0,07 litros.

FIGURA II.5 - Resposta experimental a um degrau de 300

de amplitude

De acordo com os resultados mostrados nas Figuras II.1 a II.5, percebe-se que o controle se

mostrou com tempo de assentamento inferior a 1000ms, mesmo para uma excursão

relativamente grande como a de 300

(Figura II.5). Considerando um overshoot inferior de

5% em todos os casos considera-se que o sistema de controle do ressonador está validado.

Foram previstos tempos de assentamento inferiores a 2000ms e percentuais de overshoot

abaixo de 5%. O tempo inferior a 2000ms é devido às mudanças de rotações do motor com

APÊNDICE II

231

carga serem dessa ordem de grandeza, para variar 500 rev/min. Uma outra análise realizada

foi sobre o erro em regime permanente apresentado na movimentação da palheta, o qual é

devido ao atrito estático que não foi considerado e que entraria como uma perturbação no

modelo do controle. Para um controle mais refinado esse atrito deve ser considerado. No

presente trabalho não foi considerado devido a pequena variação do volume com relação aos

erros encontrados.

II.2 Respostas do ressonador eletrônico aos experimentos estáticos e dinâmicos no

Banco de Fluxo

A Figura II.6 mostra a resposta do modelo e do sistema real montado no Banco de Fluxo com

o degrau de entrada. Esta aquisição foi realizada com uma freqüência de aquisição de 15 ms,

com o próprio sistema de controle desenvolvido. A resposta do sistema ficou com um erro

inferior a 1%, porém mais lento, levando até 600 ms para a estabilização.

10 11 12 13 14 15 16

100

150

200

250

Tempo [s]

Posição angular [°]

Sistema em Malha Fechada - Resposta do modelo e do sistema real ao degrau de entrada

Posição de referência para o controlador

Posição do ressonador - Modelo

Posição do ressonador - Sistema real

FIGURA II.6 – Resposta do modelo do sistema e do sistema real

em malha fechada ao degrau de entrada

APÊNDICE II

232

A seguir são analisados os resultados dos experimentos dinâmicos com o ressonador de

palheta operando com o controle eletrônico, onde os parâmetros de operação que tem

influência na resposta de posição do ressonador foram avaliados.

A Figura II.7 mostra os vários níveis de rotação do eixo comando de válvula, controlados pelo

motor elétrico do Banco de Fluxo, que em função do tempo representa a rampa aplicada para

avaliação da resposta do sistema em malha fechada.

FIGURA II.7 – Rotação do eixo comando de válvula controlada em degraus pelo motor

elétrico do Banco de Fluxo em função do tempo

TABELA II.1 – Ângulos e volumes determinados para o controle do ressonador eletrônico

Rotação do eixo comando de

válvulas (rev/min)

Ângulo entre as palhetas do

ressonador (graus)

Volume do ressonador

(litros)

250 280,3 4,41

500 280,3 4,41

750 280,3 4,41

1000 56,1 0,88

1250 56,1 0,88

1500 224,2 3,53

1750 280,3 4,41

2000 56,1 0,88

2250 224,2 3,53

2500 112,1 1,77

APÊNDICE II

233

Os valores dos ângulos entre as palhetas e os volumes do ressonador correspondentes foram

definidos no dinamômetro de bancada em função do torque máximo. A Tabela II.1 mostra as

posições dos ângulos das palhetas e o volume do ressonador em função da rotação do eixo

comando de válvulas.

A Figura II.8 mostra as curvas de posição de referência e posição real das palhetas em função

do tempo, caracterizando a resposta do sistema à rotação do eixo comando de válvula,

controlada em degraus pelo motor elétrico do Banco de Fluxo. A posição real da palheta

acompanha a referência em toda a faixa de operação do ressonador.

FIGURA II.8 – Resposta do sistema a rampa de subida de degraus de rotação

A Figura II.9 apresenta a rampa de subida e descida de rotação do eixo comando de válvulas

controlado pelo motor elétrico do Banco de Fluxo em função do tempo. Esta figura representa

o funcionamento do ressonador ao longo de toda a sua faixa de operação, girando tanto no

sentido horário, para reduzir o volume entre as palhetas, quanto no sentido anti-horário, para

aumentar o volume entre as palhetas, sempre fazendo a avaliação da resposta do sistema em

malha fechada.

APÊNDICE II

234

FIGURA II.9 – Rotação do eixo comando de válvula controlada uma rampa de subida e

descida pelo motor elétrico do Banco de Fluxo em função do tempo

A Figura II.10 mostra que a posição de referência e a posição real em função do tempo

operam de acordo com a rotação descrita na Figura II.9. Conclui-se assim que o ressonador de

palheta varia de acordo com o volume maximizado pelos testes no dinamômetro de bancada.

Isso possibilita validar o controle eletrônico do ressonador variável.

FIGURA II.10 – Resposta do sistema a dinâmica de subida e descida de rotação

APÊNDICE III

III. Resultados dos testes realizados no dinamômetro da PUC Minas

Estes testes foram realizados com intuito de comparar os parâmetros do motor FIRE 1242 cm

com os testes realizados com o mesmo motor no dinamômetro do CETEC (Baêta, 2006). As

curvas características foram obtidas nos dois laboratórios com o mesmo motor em plena

carga, utilizando gasolina C como combustível. A incerteza das curvas características do

motor é função de quatro parâmetros medidos. Estes parâmetros são a força medida na célula

de carga, a rotação do motor, o braço do dinamômetro onde está aplicada a força e a vazão de

combustível.

A Figura III.1 mostra o torque do motor obtido nos laboratórios da PUC Minas e do CETEC.

Os dois testes apresentados foram realizados com o motor original, apenas para validar o

laboratório da PUC Minas. Nota-se que apresentam um comportamento semelhante, com a

rotação de torque máximo em 2500 rev/min. A incerteza máxima do torque, calculada para o

dinamômetro da PUC Minas foi de ±0,207 kgfm, conforme apresentada no Apêndice I.

Torque versus rotação do motor

Laboratórios PUC Minas e CETEC - configuração original

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

Teste PUC Minas Teste CETEC

FIGURA III.1 – Comparação de torque sobre o motor FIRE 1242cc

APÊNDICE III

236

A Figura III.2 apresenta a potência para o mesmo motor nos laboratórios da PUC Minas e do

CETEC. A rotação onde ocorre a potência máxima é de 5500 rev/min. A incerteza máxima da

potência calculada para o dinamômetro da PUC Minas é de ±1,638 cv, conforme apresentada

no Apêndice I. Também pode ser observado que não se tem alterações no comportamento das

curvas ao longo de toda a faixa de rotação, aumentando com a rotação até um limite, de

acordo com o torque (Heywood, 1988).

A potência tende a subir com o aumento da rotação do motor, até se atingir uma condição em

que a massa de mistura admitida a cada ciclo se reduz mais rápido que a velocidade de

aumento do número de ciclos para um dado intervalo de tempo. Nesse momento, o produto do

torque pela rotação do motor, ou seja, a potência, começa a diminuir (Soares, 2000). Esse

fenômeno ocorre a partir dos 5500 rev/min.

Potência versus rotação do motor

Laboratórios PUC Minas e CETEC - configuração original

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Potência (cv)

Teste PUC Minas Teste CETEC

FIGURA III.2 – Correlação de potência sobre o motor FIRE 1242cc

A Figura III.3 mostra o consumo específico de combustível em função da rotação do motor. A

condição de menor consumo específico aconteceu em rotações diferentes, para os dois testes

sendo de 2500 rev/min no laboratório da PUC Minas e de 2250 rev/min no CETEC. Esta

diferença observada é importante para que os demais testes sejam realizados com intervalos

APÊNDICE III

237

menores de rotação. A incerteza máxima do consumo específico calculado para o

dinamômetro da PUC Minas foi de ±0,675 g/cvh, conforme apresentada no Apêndice I. O

consumo específico apresentou um afastamento a partir de 4000 rev/min, onde foi verificado

um consumo de combustível 10,03% maior no teste realizado na PUC Minas, correspondendo

a 1,3 kg/h a mais.

Os experimentos nos dinamômetros dos dois laboratórios serviram para validar os testes

realizados no dinamômetro da PUC Minas, objetivando iniciar os testes com a inserção do

ressonador no sistema de admissão, conhecendo-se a incerteza do equipamento.

Consumo Específico versus rotação do motor

Laboratórios PUC Minas e CETEC - configuração original

150

200

250

300

350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Consumo Específico (g/cvh)

Teste PUC Minas Teste CETEC

FIGURA III.3 – Correlação de consumo específico sobre o motor FIRE 1242cc

A Figura III.4 mostra os valores de torque para o caso do ressonador inserido no conduto de

admissão, ou seja, entre o filtro de ar e a borboleta de controle de carga do motor. A presença

do ressonador com o pescoço de 560 mm, dimensão definida nos testes do banco de fluxo

interferiu muito pouco na vazão de ar admitida conforme os testes no banco de fluxo. Outro

problema apresentado é que a incerteza calculada superava as diferenças dos parâmetros de

ganho ou perda de torque, assim acontecendo também com a potência e o consumo

específico. Por tanto, a necessidade de um laboratório com uma incerteza menor foi

necessário.

APÊNDICE III

238

A partir dos resultados mostrados na Figura III.4 pode-se concluir que a influência do

ressonador não foi a esperada, não contribuindo para o aumento da vazão de ar. Foi

constatado que este comportamento do ressonador era devido ao comprimento muito grande

do pescoço, gerando uma perda de carga elevada. Para resolver este problema, testes foram

realizados com um menor comprimento do pescoço, reduzido de 560 mm para 170 mm, sendo

este o comprimento utilizado em todos os demais testes realizados.

Torque versus rotação do motor

Ressonador no conduto de admissão e com pescoço de 560 mm de comprimento

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rotação do motor (rev/min)

Torque (kgfm)

Sem ressonador Ressonador 0,88 litros Ressonador com 1,77 litros

Ressonador com 2,65 litros Ressonador com 3,53 litros

FIGURA III.4 – Torque do motor FIRE 1242 cm

sem e com o ressonador

no Laboratório da PUC Minas para os vários volumes obtidos

Desta forma, visando obter os ganhos com a inserção do ressonador, um dos Laboratórios da

FPT foi usado para a realização dos testes com a redução do pescoço do ressonador e a

utilização de um dinamômetro com menor incerteza de medição, espera-se obter melhores

resultados.

Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
 
Milhares de Livros para Download:
 
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas

Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
 
 