Comparação entre motor sem válvula e motor com válvula limitando a abertura e fecho

5.3.2.1. Pressão

Na Figura 52 mostram-se os valores de pressão do motor com a válvula limitando a abertura e fecho do escape comparando com o motor sem válvula. Relembra-se que o motor com a válvula limitando a abertura e fecho do escape teve de ser modelado com uma maior câmara de combustão de modo a manter a taxa de compressão retida.

Figura 52 - Gráfico de pressão de simulação sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Existem três zonas em que é possível observar diferenças entre as simulações. A diferença na zona 1 é devida ao efeito da válvula, mais concretamente a haste encarregue de adiantar o fecho do escape, isolando a câmara mais cedo, resultando no início adiantado da compressão. A zona 2 evidencia o maior volume da câmara de combustão (na simulação com válvula limitando a abertura e fecho do escape), já que a chama necessita de percorrer um maior volume (e tempo). A zona 3 estende-se desde o pico de pressão até cerca da abertura da admissão, local em que as curvas convergem. Observando ainda a Figura 42 repara-se que no motor com válvula atrasando a abertura do escape existe um pico de pressão ligeiramente superior ao do motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape. Isto pode ocorrer devido a existir um volume de câmara

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de combustão inferior (no motor com válvula atrasando a abertura do escape), facilitando a subida de pressão.

Apresenta-se, na Figura 53, o diagrama p-V (em escalas logarítmicas) onde se podem visualizar os ganhos e as perdas de esta simulação.

Figura 53 - Diagrama pressão-volume de simulação sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape (escala logarítmica)

Como se pode ver da Figura 53, as curvas são bastante diferentes. Tirando a óbvia diferença provocada pelas diferentes taxas de compressão, repara-se no efeito causado pela válvula, atrasando a abertura do escape.

Calculando o trabalho inerente para o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape temos:

𝑊𝑖 = ∫ 𝑝. 𝑑𝑉

269.6 20.1

≅ 158.5 𝐽 (67)

Assim temos uma diferença entre as duas curvas de:

∆𝑊𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 158.5 − 134.7 = 23.8 𝐽 (68)

Demonstrando um incremento de 15%.

Comparando o motor com a válvula limitando a abertura e fecho do escape com o motor com válvula atrasando a abertura do escape temos uma diferença de:

Havendo um incremento de 17% em benefício do motor com a válvula limitando a abertura e fecho do escape.

Denota-se assim um incremento substancial de trabalho produzido por este motor, conseguido pela introdução da válvula limitando a abertura e fecho do escape, (que aumenta a retenção de gases no cilindro) e por uma mudança da taxa de compressão.

5.3.2.2. Cálculo referente a gases

As diferenças de massa total no cilindro podem-se observar na Figura 54.

Figura 54 - Massa total no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Relativamente ao motor com válvula atrasando a abertura do escape, a diferença reside na quantidade de gases que ficam retidos no cilindro, já que, o maior volume de câmara de combustão (motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape) permite que uma maior massa de gases fique retida. Este efeito é amplificado pelo facto de a válvula adiantar o fecho do escape, permitindo o isolamento mais cedo da câmara de combustão.

A Figura 55 representa o caudal de gases transferidos para o escape no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape.

Comparando o motor com válvula atrasando a abertura do escape (Figura 45) e o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape (Figura 55), este último liberta uma maior quantidade de gases para o escape, que se pode observar pelos valores superiores de caudal

Abertura do escape por válvula Abertura da janela de escape Fecho do escape por válvula Fecho da janela de escape

desde a abertura do escape até cerca do PMI. Este efeito pode ser explicado pelo facto de existir um maior volume presente no cilindro (no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape devido à menor taxa de compressão), pelo que existe um caudal superior.

Figura 55 - Caudal de gases transferidos do cilindro para o escape (sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape)

Na Figura 56 está representada a massa de CO2 presente no cilindro no motor com válvula

limitando a abertura e fecho do escape.

Figura 56 - Massa de CO2 presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Abertura do escape por válvula

Abertura da janela de escape Abertura do escape por válvula Abertura da janela de escape

Relativamente à massa de CO2, no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape, é

possível observar uma quantidade superior à do motor sem válvula, pelo que uma maior massa é libertada mais tarde durante o escape.

Massa de CO2 produzida pelo motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape:

𝑚 = 28.33 𝑚𝑔 (70)

Observa-se assim uma maior produção de CO2 por parte do motor com válvula limitando a abertura

e fecho do escape seguido do motor sem válvula, devido ao maior volume de combustível queimado.

5.3.2.3. Temperatura

Na Figura 57 está apresentada a temperatura para o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape.

Figura 57 - Temperatura no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Neste caso existe ainda uma maior diferença que na comparação anterior entre os dois picos de temperatura, cerca de 300°C, sendo o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape o que apresenta o maior valor. Ao contrário do anterior, este consegue manter uma temperatura superior durante todo o ciclo, havendo uma maior aproximação entre as duas curvas somente aquando o início da combustão no qual se sobrepõem.

5.3.2.4. Prestações

Motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Tendo o trabalho indicado já sido calculado também para o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape, sendo igual a 156.4 J, resulta uma pressão média inerente de:

𝑝𝑚𝑖 =𝑊𝑖 𝑉_𝑣 =

158.5

0.000249= 636546 𝑃𝑎 = 6.37 𝑏𝑎𝑟 (71) Sendo o binário igual a:

𝐵 =(𝑝𝑚𝑖 − 𝑝𝑚𝑎) × 𝑉𝑣 𝜋 × 𝑇 = (636546 − 30240) × 0.000249 𝜋 × 2 = 24.03 𝑁. 𝑚 (72) Resultando uma potência de:

𝑃 = 2 × 𝜋 × 𝐵 × 𝑁

60= 2 × 𝜋 × 24.03 × 4000

60 = 10066 𝑊

= 10.1 𝑘𝑊 (73)

Ignorando as perdas por atrito temos: 𝐵 =𝑝𝑚𝑖 × 𝑉𝑣 𝜋 × 𝑇 = 636546 × 0.000249 𝜋 × 2 = 25.23 𝑁. 𝑚 (74) 𝑃 = 2 × 𝜋 × 𝐵 × 𝑁 60= 2 × 𝜋 × 25.23 × 4000 60 = 10568 𝑊 = 10.6 𝑘𝑊 (75)

5.3.2.5. Rendimentos

Na Figura 58 está representada a massa de combustível presente no cilindro para o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape.

Figura 58 - Massa de combustível presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Nesta (Figura 58) é possível ver a diferença de quantidades de combustível após fecho da janela de escape, em que, o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape, possui cerca de 16% mais quantidade de combustível. O declive da curva durante a combustão é ainda superior ao motor com válvula atrasando a abertura do escape, demonstrando que existe uma combustão mais rápida.

A massa de combustível admitida pelo motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape pode ser observada na Figura 59.

Figura 59 - Massa de combustível admitida ao cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

Comparando com o motor com válvula atrasando a abertura do escape repara-se num decréscimo de combustível admitido.

A quantidade de massa combustível queimada é de aproximadamente de 9.61 × 10−3 _{𝑔 para o}

motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape.

Neste, o consumo (relativo à massa de combustível queimada) é de: 𝐶 = 𝑚𝑓 𝑃 × ∆𝑡 = 9.61 × 10−3 10.6 × 4.2 × 10−6 = 215.9 𝑔 𝑘𝑊. ℎ (76)

Relativamente ao motor sem válvula existe um aumento no consumo de 0.5%. Na Figura 60 é possível observar o calor libertado pela combustão.

Figura 60 - Calor libertado pela combustão no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

No motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape é evidente a produção de uma maior quantidade de calor, devido á existência de uma maior massa de combustível antes do início da combustão.

Durante a combustão foi produzida um total de:

𝑄𝑐 = 412.80 𝐽 (77)

Resultando um rendimento de combustão: 𝜂𝑐 = 𝑄𝑐

𝑚𝑓× 𝑄𝑝𝑖

= 412.80

Figura 61 - Fração de massa queimada no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape

A Figura 61 vem novamente confirmar a enorme diferença entre a velocidade de combustão dos dois motores.

Multiplicando o rendimento adiabático com o rendimento teórico, com o rendimento relativo às propriedades dos fluidos e com o rendimento inerente para o motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape vem:

𝜂_𝐴. 𝜂_𝑡. 𝜂_𝑃. 𝜂_𝐼 =𝑊𝐼 𝑄𝑐 =

158.5

412.80= 0.384 (79)

Assim resulta um rendimento global de:

𝜂𝑇 = 𝜂𝑐. 𝜂𝐴. 𝜂𝑡. 𝜂𝑃. 𝜂𝐼 = 0.959 × 0.384 = 0.368 (80)