Válvula rotativa inovadora para motores a 2 tempos possibilitando sobre-expansão

Carlos Alberto Leiria Pereira

Válvula Rotativa Inovadora para Motores

a 2 Tempos Possibilitando Sobre-Expansão

Carlos Alberto Leiria Pereira

Vál vula R o tativ a Ino vador a par a Mo tor es a 2 T em pos P ossibilit ando Sobr e-Expansão

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efectuado sob a orientação de

Professor Doutor Jorge José Gomes Martins

Doutor Francisco C. P. Brito

Carlos Alberto Leiria Pereira

Válvula Rotativa Inovadora para Motores

a 2 Tempos Possibilitando Sobre-Expansão

Universidade do Minho

Válvula Rotativa Inovadora para Motores a 2 Tempos

Possibilitando Sobre-Expansão

Resumo

A presença de janelas cortadas no cilindro nos motores a 2 tempos traz a simetria de abertura e fecho de estas em relação ao PMS já que é o próprio pistão que desempenha a função de as cobrir ou descobrir ao longo do seu curso. A utilização de uma válvula de escape permite alterar o momento de abertura e fecho da janela, aumentando a eficiência e a performance destes motores. Atualmente os sistemas existentes não permitem o controlo individual da abertura e do fecho pelo que se revelou interessante o estudo de um sistema que o conseguisse realizar. Como tal o trabalho apresentado demonstra o desenvolvimento baseado na análise cinemática e termodinâmica de uma nova válvula rotativa de escape, permitindo o controlo individual da abertura e fecho da janela de escape.

As válvulas de escape atualmente existentes somente realizam um movimento rotativo oscilatório, não permitindo um movimento rotativo completo que traria suavidade de funcionamento e um maior grau de controlo.

Durante a análise a esta nova válvula foi criado um modelo simples que determina os ângulos da válvula mais adequados e consequentemente a sua geometria. Este modelo combina a cinemática do pistão e da válvula para determinar a geometria da válvula para que esta desempenhe a abertura e o fecho desejado. Este modelo considera ainda as dimensões particulares do motor pelo que permite a obtenção de resultados para diversos tamanhos de motores, sendo possível observar os limites da válvula para cada situação analisada.

Com este modelo simples criou-se um modelo 3D do motor que se implementou no software Converge CFD. Neste foi possível simular o efeito da válvula rotativa no escoamento durante o funcionamento do motor. As simulações apresentadas foram efetuadas com uma só geometria de motor mas com diferentes geometrias de válvulas e taxas de compressão. Foi possível cumprir o objetivo de se obter o efeito de sobre-expansão usando este tipo de válvula.

Palavras-Chave: Válvula de escape, análise termodinâmica, sobre-expansão, 2 tempos, simulação CFD

Innovative Rotary Valve for 2-Stroke Engines Enabling

Over-Expansion

Abstract

In 2-Stroke engines the presence of cylinder ports in which the piston has the function to cover or uncover them brings timing symmetry in relation to TDC. Using an exhaust valve allows symmetry elimination increasing efficiency and performance in these type of engines. Existing systems doesn’t allow the individual control of both opening and closure of the exhaust increasing the interest in developing such system. In this regard the shown work reveals the development of a new rotary valve based on kinematic and thermodynamic analysis allowing the individual control of both opening and closure of the exhaust port.

Existing rotary valves only perform an oscillating rotary motion that doesn’t allow a fully rotary motion that would bring operating smoothness and a higher degree of control.

During the analysis a simple model was created to determine the adequate valve angles. This model combines the kinematic of the piston and valve to determine valve geometry in order to perform the desired opening and closure. This model even considers the engine dimensions adapting the results for different engines allowing the observation of valve limits for each analysed situation.

A 3D model of the engine was created using the referred model to perform a CFD analysis using Converge CFD. With this analysis it was possible to simulate the effect of the rotary valve in the flow during engine operation. Shown simulations were done with just one engine geometry but with different valve geometries and compression ratios. With this valve was even possible to create the over-expansion effect.

Agradecimentos

Agradeço ao Professor Doutor Jorge Martins e ao Doutor Francisco Brito pela constante ajuda durante a realização desta tese e por esclarecer inúmeras dúvidas que foram aparecendo durante a realização da mesma. Agradeço ao Eng. Tiago Costa pela ajuda disponibilizada durante a aprendizagem do software Converge e ao Doutor Mattia Sulis da empresa Convergent Science pelo apoio técnico disponibilizado. Por último, agradeço ao Departamento de Engenharia Mecânica por permitir a utilização de um PC para efetuar as simulações.

Índice

2.8. Alteração do eixo do cilindro ... 19

2.9. Cálculo de rendimentos ... 20 2.10. Modelação de motores ... 23 2.10.1. As leis gerais ... 24 2.10.2. Modelos 0D ... 25 2.10.3. Modelos multidimensionais ... 25 3. Válvula em estudo ... 27 3.1. Desenvolvimento da válvula ... 28 3.2. Acionamento da válvula ... 32

3.2.1. Alteração da fase da válvula ... 32

3.2.2. Controlo das hastes ... 33

4. Análise cinemática ... 35

4.1. Dimensionamento da válvula ... 35

4.1.1. Exemplo 1 – Efeito da inversão do sentido de rotação ... 40

4.1.2. Exemplo 2 – Limites físicos da válvula ... 42

5.1. Software Converge CFD ... 45

5.1.1. Modelação química e de turbulência ... 46

5.1.1.1. Modelos de combustão gerais ... 46

5.1.1.2. Modelos de combustão simplificados de gases pré-misturados ... 47

5.1.1.3. Modelos diesel simplificados ... 49

5.1.1.4. Modelo de combustão turbulento de gases não misturados ... 50

5.1.1.5. Modelação de turbulência ... 51

5.2. Pré-processamento ... 51

5.3. Resultados ... 55

5.3.1. Comparação entre motor sem válvula e motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 56

5.3.1.1. Pressão ... 56

5.3.1.2. Cálculo referente a gases ... 58

5.3.1.3. Temperatura ... 60

5.3.1.4. Prestações ... 61

5.3.1.5. Rendimentos ... 63

5.3.2. Comparação entre motor sem válvula e motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 67

5.3.2.1. Pressão ... 67

5.3.2.2. Cálculo referente a gases ... 69

5.3.2.3. Temperatura ... 71

5.3.2.4. Prestações ... 72

5.3.2.5. Rendimentos ... 72

5.3.3. Valores globais comparativos ... 76

6. Conclusões ... 77

Anexo 1 – Características e condições iniciais das simulações ... 81 Anexo 2 – Tutorial Converge ... 83 Anexo 3 – Artigo desenvolvido ... 113

Lista de símbolos

A_{𝑗𝑎𝑛𝑒𝑙𝑎} – Abertura da janela 𝐵 – Binário indicado

𝐶𝐴_𝑝 – Ângulo da cambota numa posição específica do ponto em questão Comp_{𝑏𝑖𝑒𝑙𝑎} – Comprimento da biela

𝐶_{𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜} – Curso do pistão

𝐶𝑠 – Consumo específico (retido) de combustível

Dist_{𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑏−𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜} – Distância do centro da cambota ao topo do pistão Dist𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑣−𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜 – Distância entre o centro da válvula e o topo do pistão

Dist_{𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜−𝑝𝑖𝑛𝑜} – Distância do topo do pistão ao pino do pistão 𝑒𝐵 – Eficiência de bombagem 𝑒_{𝑒𝑛𝑐ℎ} – Eficiência de enchimento 𝑒_{𝑓𝑜𝑟𝑛} – Eficiência de fornecimento 𝑒_𝑣𝑜𝑙 – Eficiência volumétrica 𝑚_𝑎𝑟 – Massa de ar 𝑚_𝐶𝑂2 – Massa de CO2 𝑚_𝑓 – Massa de combustível 𝑚𝑓𝑜𝑟𝑛 – Massa fornecida por ciclo

𝑚𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐 – Massa de gases queimados que fica retida no cilindro

𝑚_{𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐,𝑎𝑟} – Massa de ar pertencente a m_{𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐}

𝑚_𝑟𝑒𝑡 – Massa de gás fresco fornecido retida dentro do cilindro 𝑚_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} – Massa total que fica no cilindro (gás fresco + queimado)

𝑚𝑣𝑣 – Massa relativa ao volume varrido nas condições de admissão

𝑁 – Velocidade de rotação do motor 𝑃 – Potência indicada

𝑝 – Pressão no interior do cilindro 𝑃_{𝐴𝑗𝑎𝑛𝑒𝑙𝑎} – Posição de abertura da janela P_{𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜} – Posição do topo do pistão P𝑝𝑖𝑠𝑡ã𝑜 𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 – Posição atual do pistão

P_{𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑣} – Posição do ponto a calcular da válvula 𝑄𝑎 – Calor realmente aproveitado

𝑄𝑐 – Calor fornecido pela combustão

𝑄𝑝𝑖 – Poder calorífico inferior do combustível

R_{𝑐𝑎𝑚𝑏} – Raio da cambota R𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑣 – Raio da válvula

𝑇 – Número de tempos do ciclo 𝑉 – Volume

𝑉𝐴𝑝 – Ângulo do ponto em questão da válvula

𝑉_𝑐𝑐 – Volume da câmara de combustão aquando PMS 𝑉𝑔 – Volume do cilindro aquando PMI

𝑉_𝑟𝑒𝑡 – Volume retido no cilindro aquando fecho do escape

𝑉𝑟𝑒𝑡𝑣 – Volume retido no cilindro aquando fecho do escape pela válvula

𝑉_𝑉 – Volume varrido pelo pistão 𝑊𝑒 – Trabalho efetivo

𝑊𝑖 – Trabalho do ciclo indicado

𝑊𝑝 – Trabalho considerando as propriedades reais dos fluidos 𝑊𝑡 – Trabalho do ciclo teórico

∆𝑡 – Tempo de realização de um ciclo

∆𝑊𝑖 – Diferença (localizada) entre o trabalho indicado de dois motores distintos ∆𝑊𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 – Diferença total entre o trabalho indicado de dois motores distintos

𝜀_𝑔 – Taxa de compressão/expansão geométrica 𝜀𝑟𝑒𝑡 – Taxa de compressão/expansão retida

𝜀_{𝑟𝑒𝑡𝑣} – Taxa de compressão/expansão retida pela válvula 𝜂𝐴 – Rendimento adiabático

𝜂𝑐 – Rendimento de combustão 𝜂_𝐼 – Rendimento inerente

𝜂_𝑙𝑎𝑣 – Rendimento de lavagem ou pureza 𝜂_𝑀 – Rendimento mecânico

𝜂𝑃 – Rendimento relativo às propriedades dos fluidos

𝜂_ret – Rendimento de retenção 𝜂_𝑡 – Rendimento teórico 𝜂𝑇 – Rendimento total

θ, θ_𝐴, θ_𝐵, θ_𝐶, θ_𝐷 – Ângulo de cada ponto da válvula 𝜌 – Densidade do ar

Lista de siglas

AETC – Automatic Exhaust Timing Control AFR – Relação ar/combustível

AMR – Adaptive Mesh Refinement APMS – Antes do Ponto Morto Superior

ATAC – Automatic Torque Amplification Chamber CA – Angulo de Cambota

CEQ – Chemical Equilibrium

CFD – Computational Fluid Dynamics CFL – Courant Friedrich Lewy

CTC – Characteristic Time Combustion DPMS – Depois do Ponto Morto Superior ECFM – Extended Coherent Flame Model

HCCI – Homogeneous Compression Charge Ignition HPP – Honda Power Port

HTS – Husqvarna Torque System IFP – Institut Français du Petrol

KIPS – Kawasaki Integrated Powervalve Sistem KTM – Kronreif Trunkenpolz Mattighofenv LES – Large Eddy Simulation

MFB – Mass Fraction Burned ODE – Ordinary Differential Equation PA – Pureza Absoluta

pma – Pressão média de atrito pme – Pressão média efetiva pmi – Pressão média inerente PMI – Ponto Morto Inferior

PMS e TDC – Ponto Morto Superior QUB – Queen’s University of Belfast RANS – Reynolds Averaged Navier-Stokes RAVE – Rotax Automatic Variable Exhaust RC-valve – Revolution Control Valve RE – Relação de Entrega

RIF – Representative Interactive Flamelet RNG – Renormalization Group

RPM – Rotações Por Minuto

SAEC – Suzuki Automatic Exhaust Control TKI – Tabulated Kinetic Ignition

TVC – Twin Valve Control

V-TACS – Variable Torque Amplification Chamber System YPVS – Yamaha Power Valve Sistem

Lista de figuras

Figura 1 - Representação gráfica dos diferentes volumes [3] ... 4

Figura 2 - Representação gráfica do volume retido pela válvula ... 4

Figura 3 - Esquema de lavagem de um motor a 2 tempos [3] ... 6

Figura 4 - Representação gráfica dos diferentes tipos de lavagem (à esquerda) [5] e pistão com defletor do tipo QUB num motor de lavagen transversal (à direita) [4] ... 7

Figura 5 - Diferentes Geometrias de janelas [5] ... 8

Figura 6 - Algumas dimensões importantes da janela [5] ... 8

Figura 7 - Válvula de lamelas (reed valve) [7] ... 10

Figura 8 - Válvula em tulipa [8] ... 11

Figura 9 - Válvula rotativa (disco) [9] ... 11

Figura 10 - Esquema da YPVS [10] ... 12

Figura 11 - Efeito da alteração da posição da YPVS na curva do potência do motor [11] ... 13

Figura 12 - Motor OMNIVORE da Lotus [13] ... 13

Figura 13 - Valvula de escape pertencente à Husqvarna [14] ... 14

Figura 14 - Vista explodida do sistema da válvula de escape da GasGas [15] ... 14

Figura 15 - Sistema HPP [10] ... 15

Figura 16 - Sistema RC valve [16] ... 15

Figura 17 - Sistema RAVE [10] ... 16

Figura 18 - Sistema AETC [17] ... 16

Figura 19 - Sistema KIPS [10] ... 17

Figura 20 - Sistema SAEC [10] ... 17

Figura 21 - Sistema ATAC [10] ... 18

Figura 22 - Desvio do eixo do cilindro [3] ... 19

Figura 23 - Motor a 2 tempos com válvula rotativa no escape ... 27

Figura 24 – Esquema da válvula ... 27

Figura 25 - Evolução da geometria do modelo 3D ... 28

Figura 26 - Evolução da geometria da válvula (inicial à esquerda e final à direita) ... 29

Figura 27 - Vista interior da “cápsula” da válvula (inicial a esquerda e defletor à direita) ... 30

Figura 28 - Esquema da modelação 5 ... 30

Figura 30 - Esquema do mecanismo de alteração da fase da válvula [2] ... 32 Figura 31 - Esquema do mecanismo de controlo das hastes [2] ... 33 Figura 32 - Limites do mecanismo da válvula ... 33 Figura 33 - Angulos de diferentes pontos da válvula ... 36 Figura 34 - Posições da válvula e cambota com o mesmo sentido de rotação ... 37 Figura 35 - Posições da válvula e cambota com sentidos de rotação contrários ... 39 Figura 36 - Resultado dos ângulos das válvulas ... 41 Figura 37 - Resultado dos ângulos da válvula ... 43 Figura 38 - Resultado dos ângulos da válvula (sentido de rotação invertido) ... 44 Figura 39 - Esquema de ficheiros de input e output [22]... 45 Figura 40 - Geometria do modelo utilizado no Converge (cilindro ocultado) ... 51 Figura 41 - Escape divergente-convergente ... 52 Figura 42 - Gráfico de pressão de simulação sem válvula e com válvula atrasando a abertura do escape ... 56 Figura 43 - Diagrama pressão-volume de simulação sem válvula e com válvula atrasando a abertura do escape ... 57 Figura 44 - Massa total no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 58 Figura 45 - Caudal de gases transferidos do cilindro para o escape (sem válvula e com válvula atrasando a abertura do escape) ... 59 Figura 46 - Massa de CO2 presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula

atrasando a abertura do escape ... 59 Figura 47 - Temperatura no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 60 Figura 48 - Massa de combustível presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 63 Figura 49 - Massa de combustível admitida ao cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 64 Figura 50 - Calor libertado pela combustão no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 65 Figura 51 - Fração de massa queimada no motor sem válvula e no motor com válvula atrasando

Figura 52 - Gráfico de pressão de simulação sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 67 Figura 53 - Diagrama pressão-volume de simulação sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape (escala logarítmica) ... 68 Figura 54 - Massa total no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 69 Figura 55 - Caudal de gases transferidos do cilindro para o escape (sem válvula e com válvula limitando a abertura e fecho do escape) ... 70 Figura 56 - Massa de CO2 presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula

limitando a abertura e fecho do escape ... 70 Figura 57 - Temperatura no interior do cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 71 Figura 58 - Massa de combustível presente no cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 73 Figura 59 - Massa de combustível admitida ao cilindro no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 73 Figura 60 - Calor libertado pela combustão no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 74 Figura 61 - Fração de massa queimada no motor sem válvula e no motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 75 Figura 62 - Modelação com superfícies em SolidWorks ... 83 Figura 63 - Detalhe da válvula ... 84 Figura 64 - Página inicial do Converge... 85 Figura 65 - Carregamento da geometria em Converge ... 86 Figura 66 - Ajustamento da escala ... 86 Figura 67 - Rotação do modelo ... 87 Figura 68 - Determinar centro da circunferência ... 88 Figura 69 - Deslocamento espacial do modelo... 88 Figura 70 - Carregar um template ... 89 Figura 71 - Estado atual do case setup ... 90 Figura 72 - Determinação da coordenada z da vela de ignição ... 91 Figura 73 - Tipo de simulação ... 91

Figura 74 - Definir o intervado a simular ... 92 Figura 75 - Eliminar fronteiras desnecessárias... 93 Figura 76 - Nome da fronteira ... 93 Figura 77 - Atribuição de uma área à fronteira pretendida ... 94 Figura 78 - Ocultar fronteiras externas ... 94 Figura 79 - Determinar o centro de rotação da válvula ... 95 Figura 80 - Definir condições de rotação da válvula ... 96 Figura 81 - Determinar a posição superior e inferior do cilindro ... 97 Figura 82 - Criar superfície cilindrica ... 97 Figura 83 - Modificar cilindro criado previamente ... 98 Figura 84 - Criar cilindro para representar saia do pistão ... 99 Figura 85 - Isolar o volume do cilindro (sem Seals) ... 100 Figura 86 - Atribuir as novas superfícies às fronteiras adequadas ... 100 Figura 87 - Verificação de fronteiras ... 101 Figura 88 - Criar separador ... 102 Figura 89 - Apagar região ... 102 Figura 90 - Criar nova superfície ... 103 Figura 91 - Caracterizar todas as fronteiras ... 104 Figura 92 - Verificar a normal de todas as superfícies ... 105 Figura 93 - Seleção dos vértices das janelas ... 105 Figura 94 - Seleção dos vértices da parte inferior do cilindro ... 106 Figura 95 - Adicionar o "seal" móvel ... 106 Figura 96 - Adicionar o "seal" fixo ... 107 Figura 97 - Definir os eventos ... 108 Figura 98 - Definir eventos (sem seals) ... 108 Figura 99 - Definir a zona de faísca proveniente da vela ... 109 Figura 100 - Definir zonas de refinamento de malha ... 110 Figura 101 - Gerar ficheiros necessários para realizar a simulação ... 111

Lista de tabelas

Tabela 1 - Características do motor escolhido inicialmente ... 28 Tabela 2 - Características do motor escolhido ... 29 Tabela 3 - Lista de componentes presentes no mecanismo de alteração da fase da válvula ... 32 Tabela 4 - Lista de componentes presentes no mecanismo de controlo das hastes ... 33 Tabela 5 - Lista de siglas utilizadas na equação do movimento do pistão ... 35 Tabela 6 - Timings do motor ... 36 Tabela 7 - Posição dos pontos da válvula ... 37 Tabela 8 - Lista de siglas utilizadas na equação de posicionamento da válvula ... 38 Tabela 9 - Posição dos pontos da válvula ... 39 Tabela 10 - Características do motor (exemplo 1) ... 40 Tabela 11 - Timing do motor (exemplo 1) ... 41 Tabela 12 - Características do motor (exemplo 2) ... 42 Tabela 13 - Timing do motor (exemplo 2) ... 42 Tabela 14 - Listagem das fronteiras e respetivas condições de fronteira do modelo ... 53 Tabela 15 - Parâmetros constantes ... 55 Tabela 16 - Comparação dos três motores simulados ... 76 Tabela 17 - Características da simulação sem válvula ... 81 Tabela 18 - Condições iniciais da simulação sem válvula ... 81 Tabela 19 - Características da simulação do motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 81 Tabela 20 - Condições iniciais da simulação do motor com válvula atrasando a abertura do escape ... 82 Tabela 21 - Características da simulação do motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 82 Tabela 22 - Condições iniciais da simulação do motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape ... 82

1. Introdução

Os tópicos da eficiência e da redução de consumos e emissão de poluentes têm vindo a sofrer um intenso desenvolvimento por parte de vários setores. Desses setores, o ramo automóvel é um dos que mais evoluiu devido à sua vasta utilização. Nestes, mais especificamente os motores, devido à sua “baixa” eficiência, têm tido bastantes “evoluções” ao longo dos tempos. Os motores de combustão interna têm sido desenvolvidos com o intuito de melhorar o rendimento do veículo, permitindo que as deslocações se façam com a menor pegada ecológica possível.

Recentemente, de todos os motores, tem-se verificado um maior desenvolvimento nos motores diesel e elétricos/híbridos. A verdade é que os motores a gasolina ainda possuem uma margem relativamente grande de evolução que não tem sido explorada.

Num motor de combustão interna, existem várias maneiras de aumentar o seu rendimento de modo a que o seu ciclo termodinâmico se aproxime do ideal. Desde implementação de válvulas de timing 1 variável, taxas de compressão variável, estratificação da carga, sobre-expansão, entre

outras.

A ideia base de sobre-expansão [1] é possuir mais expansão que compressão assim, para haver sobre-expansão, é necessário que o tempo de compressão seja menor que o de expansão, deste modo pretende-se atrasar a abertura do escape de modo a que o diferencial de pressões entre a câmara de combustão e o escape seja menor, aproveitando mais a pressão gerada pela combustão para produção de trabalho.

A variação do timing em adaptação às condições do motor, tanto em função da velocidade do motor como da sua carga, permite também a extração de maior binário e de maior rendimento. Nos motores a 4 tempos isto é realizado através do tipo de controlo das válvulas. Nos motores a 2 tempos, pelo facto de possuir janelas escavadas no cilindro, este apresenta simetria de timing em relação ao PMS. Nestes torna-se evidente a eliminação desta simetria em busca de maior eficiência.

Uma das maneiras de resolver este problema passa pela utilização de uma válvula localizada no escape à saída do cilindro. Este sistema permite não só maior rendimento energética como também suavizar a evolução do binário ao longo da velocidade do motor. Este tipo de válvula teve

origem na década de 80 pela Yamaha, tendo sido depois adaptadas por quase todos os fabricantes deste tipo de motores. Estas apresentam movimento circular oscilatório ou movimento linear que permite bloquear a parte superior da janela de escape, alterando o seu timing de abertura e/ou de fecho.

O presente trabalho tem como objetivo o estudo cinemático e termodinâmico de uma válvula rotativa inovadora, possuindo um movimento circular completo a cada ciclo do motor, tendo duas hastes e possibilitando o controlo individual de abertura e fecho do escape, potenciando a obtenção de sobre-expansão. Esta válvula em estudo é baseada numa patente [2] e o presente trabalho confirmará se o sistema é executável.

2. Estado da arte

2.1. Motores a 2 tempos

Estes motores costumam aparecer em dois formatos distintos, em tamanho pequeno ou em tamanho gigante, já que equipa motosserras, karts, motociclos e, por outro lado, equipa navios de grande porte, funcionando estes com ciclo diesel, sobrealimentado, possuindo potências na ordem das dezenas de milhar de quilowatts e com um rendimento de aproximadamente 50%, sendo estes um dos motores de combustão interna mais eficientes.

Os motores a 2 tempos de pequeno porte são normalmente simples. Nestes, existem algumas configurações específicas, tais como:

-janelas cortadas na parede do cilindro: sendo o pistão a comandar a entrada de ar e a saída dos gases de escape, através da abertura e fecho das janelas, durante o curso normal do pistão; -utilização do cárter como compressor: não usando óleo no cárter, o motor a 2 tempos pode admitir a mistura para o cárter, que posteriormente é comprimida pela descida do pistão, e só posteriormente admitida (pelas janelas de transferência) para o cilindro para combustão.

-válvula de lamelas (reed valve) na admissão ao cárter: permite que a janela de admissão abra somente quando a pressão no interior do cárter seja menor do que no carburador. O tempo de abertura da válvula varia em função da velocidade de rotação do motor e da carga;

-válvula rotativa na admissão ao cárter: esta válvula está presente na própria cambota do motor, permite reduzir o volume de retorno da mistura ao carburador, através do avanço da abertura e do fecho da admissão do motor (em comparação ao sistema de janela em que a abertura/fecho é simétrica em relação ao ponto morto inferior do pistão);

-válvula no escape: a utilização desta válvula permite alterar o ângulo de cambota para o qual ocorre a abertura e o fecho da janela de escape, podendo este ser alterado em função da velocidade do motor ou da sua carga mas mantendo a simetria em relação ao PMS.

2.2. Taxa de compressão/expansão

Nos motores a 2 tempos, o conceito de taxa de compressão é ligeiramente diferente ao dos motores a 4 tempos, isto porque durante parte do tempo de subida e descida do pistão, as janelas de escape e de admissão/transferência estão abertas, pelo que a compressão e a expansão não são realizadas num tempo completo, apenas parcial. Assim temos [3]:

-Taxa de compressão/expansão geométrica; 𝜀_𝑔 = 𝑉𝑔 𝑉_𝑐𝑐

(1) -Taxa de compressão/expansão retida;

𝜀_𝑟𝑒𝑡 =𝑉𝑟𝑒𝑡 𝑉_𝑐𝑐

(2)

Figura 1 - Representação gráfica dos diferentes volumes [3]

Para além destas duas taxas, graças ao efeito da válvula rotativa, é possível obter uma outra: -Taxa de compressão/expansão retida (válvula);

𝜀_{𝑟𝑒𝑡𝑣}=𝑉𝑟𝑒𝑡𝑣 𝑉_𝑐𝑐

(3)

𝑉𝑔 𝑉𝑟𝑒𝑡

𝑉𝑐𝑐

Escape Escape Escape

PMI Fecho do escape PMS

𝑉𝑟𝑒𝑡𝑣

Escape

2.3. Enchimento/lavagem

Devido à maior complexidade na fase de enchimento (sendo a geometria um fator importantíssimo), existem, nos motores a 2 tempos, vários parâmetros para medição da eficiência do processo de lavagem. Assim temos [3]:

-Relação de entrega (delivery ratio);

𝑅𝐸 =𝑚𝑓𝑜𝑟𝑚 𝑚_𝑣𝑣

(4) -Rendimento de retenção (trapping efficiency);

𝜂𝑟𝑒𝑡 =

𝑚_𝑟𝑒𝑡 𝑚𝑓𝑜𝑟𝑚

(5) -Rendimento de lavagem ou pureza (scavenging efficiency or purity);

𝜂_𝑙𝑎𝑣 = 𝑚𝑟𝑒𝑡 𝑚_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

(6) -Eficiência de fornecimento (charging efficiency);

𝑒_{𝑓𝑜𝑟𝑚} =𝑚𝑟𝑒𝑡 𝑚𝑣𝑣

(7) -Eficiência de enchimento (relative cylinder charge);

𝑒_{𝑒𝑛𝑐ℎ}= 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚_𝑣𝑣

(8)

Em que:

𝑚𝑓𝑜𝑟𝑚 – massa fornecida por ciclo;

𝑚𝑣𝑣 – massa relativa ao volume varrido nas condições de admissão;

𝑚_𝑟𝑒𝑡 – massa de gás fresco fornecido retida dentro do cilindro; 𝑚_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} – massa total que fica no cilindro (gás fresco + queimado).

Figura 3 - Esquema de lavagem de um motor a 2 tempos [3]

Neste tipo de motores, a lavagem completa é difícil de obter, pelo que haverá uma percentagem de gases queimados que não saem do cilindro, misturando-se com os gases frescos (𝑚𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐).

No caso de o motor queimar misturas pobres, nem todo o ar admitido é queimado, pelo que parte da massa de gases queimados que fica retida no cilindro (𝑚𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐) é ar, introduzindo o conceito

de pureza absoluta (PA) dos gases (absolute trapped charge purity), representado por 𝑚_{𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐,𝑎𝑟}. Assim temos:

𝑃𝐴 =𝑚𝑟𝑒𝑡+ 𝑚𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐,𝑎𝑟 𝑚_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}

(9) Posto isto, é possível classificar a lavagem em:

-Remoção total, que consiste em substituir a totalidade dos gases queimados por gases frescos; -Mistura total, que consiste em misturar por completo os gases frescos com os gases queimados; -Curto-circuito, em que todos os gases frescos saem diretamente pelo escape, removendo somente parte dos gases queimados.

Contudo, nestes motores, o rendimento de lavagem costuma situar-se entre a remoção total e o curto-circuito, seguindo, normalmente, um dos três tipos de lavagem apresentadas de seguida: -Lavagem transversal (cross). Nesta, a janela de admissão está posicionada no lado oposto da janela de escape, sendo que, para os gases não saírem diretamente pelo escape, o pistão tem um defletor que modifica o fluxo, fazendo-o subir para o topo da câmara de combustão. A lavagem transversal QUB (Queen’s University of Belfast), apresentada à direita na Figura 4 [4], foi uma evolução do modelo original que permitiu reduzir o tamanho da câmara de combustão, através da

e aumentar a eficiência da combustão, pela elevada turbulência. A configuração destes motores seria particularmente boa em motores de vários cilindros, devido a exigência de poucas janelas, libertando espaço para arrefecimento entre cilindros porém foi utilizada somente em motores monocilíndricos.

-Lavagem em laço (loop). Neste tipo de lavagem, o cilindro possui duas ou mais janelas de admissão direcionadas para o lado oposto da janela de escape. É normalmente usado um pistão de superfície quase plana. Este sistema foi desenhado para que o pistão possuísse uma temperatura de funcionamento mais baixa, que foi conseguido devido ao facto de o pistão não necessitar de ter defletores. Permite ainda, pelo mesmo motivo, possuir uma câmara de combustão mais compacta, permitindo uma combustão mais rápida e eficiente. As janelas costumam ter também uma ligeira inclinação, direcionando os gases frescos para o topo da câmara, sendo o fluxo semelhante a um laço.

-Lavagem unidirecional (uniflow). Por necessidade, estes motores utilizam janelas e válvulas, permitindo o fluxo unidirecional, já que as válvulas estão presentes na cabeça do motor e as janelas na base do cilindro. Assim, é possível ter dois tipos de configuração, ter válvulas de admissão ou de escape, alterando o sentido de escoamento do fluxo. Das três lavagens, esta é a mais eficiente, principalmente em cilindros altos e estreitos, dificultando a mistura entre os gases frescos e queimados, ajudando assim a remoção dos gases queimados. Sem qualquer acréscimo de mecanismos, esta é a única que permite a sobrealimentação, já que é possível fechar o escape antes de fechar a admissão.

Figura 4 - Representação gráfica dos diferentes tipos de lavagem (à esquerda) [5] e pistão com defletor do tipo QUB num motor de lavagen transversal (à direita) [4]

2.4. Janelas

Um motor a 2 tempos apresenta normalmente janelas cortadas no cilindro. Estas são muito importantes durante o desenvolvimento do motor, pelo que são cuidadosamente selecionadas as geometrias destas e realizado o respetivo dimensionamento.

Estas podem ser de distintas geometrias tal como retangulares, romboidais (em losango), alongadas com extremidades semicirculares, circulares e de extremidades cónicas. Estas podem ser observadas na Figura 5 [5].

Figura 5 - Diferentes Geometrias de janelas [5]

Como o movimento do pistão controla a abertura das janelas, a dimensão mais importante é a sua altura, já que, sendo mais alta permite a passagem de gases mais cedo e, por consequência, vai bloquear mais tarde em todos os ciclos estando mais tempo aberto em comparação com uma mais baixa, afetando diretamente a taxa de compressão/expansão retida. A largura da janela controla a quantidade de gases a passar, pelo que a escolha de uma das geometrias da Figura 5 passa pela seleção de zonas de maior ou menor escoamento.

A Figura 6 demonstra mais dimensões respetivas à janela que são mais importantes para a lavagem, sendo determinadas em função do tipo de lavagem que se pretende de modo a que o escoamento apresente um certo “percurso”.

2.5. Sobre-expansão

Durante um ciclo termodinâmico de um motor é comum que os gases no interior do cilindro estejam a uma pressão superior aos gases presentes no escape no momento de abertura da válvula/janela de escape. Por tal, parte da energia proveniente da combustão é perdida quando o escape é aberto. A sobre-expansão consiste em diminuir o diferencial de pressões, aumentando o rendimento do motor [1].

A obtenção de sobre-expansão é diferente nos motores a 2 tempos com janelas em relação a motores a 4 tempos.

Nos motores a 4 tempos esta pode-se obter através de duas maneiras distintas:

- Pelo controlo das válvulas de admissão mantendo-as abertas durante parte da compressão de modo a que seja retida uma massa inferior de gases frescos.

- Pelo controlo das válvulas de admissão, avançando o fecho da admissão (antes do PMI) de modo a existir uma ligeira expansão até o PMI e só depois a compressão resultando num tempo de compressão mais curto;

- Pela utilização de uma cambota não convencional que permite um maior deslocamento do pistão durante a expansão do que durante a compressão, possuindo um volume de compressão inferior ao volume de expansão [6].

Nos motores a 2 tempos, dado que estes possuem janelas cortadas no cilindro, a admissão estará aberta em conjunto com o escape. Assim, a única maneira de se obter sobre-expansão será variar a abertura e/ou o fecho do escape. Assim, se se atrasar a abertura do escape, obter-se-á sobre-expansão, já que o tempo de compressão, neste caso, seria inferior ao de expansão.

Em ambos os casos se irá aproveitar melhor a energia da combustão que de outro modo seria desperdiçada.

2.6. Válvulas na admissão

O uso de válvulas na admissão permite o controlo do fluxo de gases frescos para o interior do cilindro.

A escolha de um dos vários tipos de válvulas depende do tipo de motor utilizado, por exemplo se se utiliza o cárter para compressão dos gases frescos, ou se se pretende um tipo de lavagem em concreto, depende também do tipo de controlo que se pretende das próprias válvulas.

Nestas é possível encontrar válvulas de vários tipos tais como:

-Válvulas de lamelas (Figura 7) [7], ou reed valve em inglês, são aplicadas na admissão para o cárter e permite a passagem de gases somente quando a pressão no carburador for superior à pressão no cárter, não deixando haver retorno da mistura para fora do motor. Em função da carga do motor, estas possuem um comportamento distinto, aumentando o tempo de abertura das lamelas com o aumento da carga e da velocidade do motor.

Figura 7 - Válvula de lamelas (reed valve) [7]

-Válvulas em túlipa (Figura 8 [8]) são as válvulas mais comuns nos motores de combustão interna a 4 tempos, porém, são também, por vezes, utilizados em motores a 2 tempos. Aquando a utilização neste tipo de motores retira, em parte o objetivo principal dos motores a 2 tempos, que reside em serem simples e de baixo custo, pelo facto de se necessitar de utilizar árvore de cames e do respetivo distribuidor, e pelo facto de não se poder utilizar o cárter como compressor (quando se utiliza válvulas de túlipa na admissão). Porém, também retiram algumas desvantagens deste tipo de motores, tornando-os menos ruidosos, mais suaves e com mais longevidade. Comparando com os motores a 4 tempos, possuem metade da velocidade de rotação máxima do motor, devido à árvore de cames rodarem à mesma velocidade da cambota, ao contrário dos motores a 4 tempos

Figura 8 - Válvula em tulipa [8]

-Válvula rotativa (Figura 9 [9]) pode estar incorporada na cambota (em que a cambota é oca de modo a permitir os gases circular para o interior do cárter) ou consistir num disco, ligado à cambota, com uma abertura de modo a cobrir ou descobrir uma janela de admissão presente no cárter, controlando a entrada dos gases frescos.

2.7. Válvulas no escape

O conceito de controlar/variar a abertura e fecho do escape nos motores a 2 tempos, há muito que tem vindo a ser explorado.

A utilização deste sistema pode trazer várias vantagens tal como a redução dos consumos e o aumento de binário a baixas cargas e rotações, possibilita a variação da massa de enchimento, alterando o escoamento de lavagem. A variação da posição desta válvula em função da carga e rotação do motor permite suavizar a curva de binário do motor.

Foram inventadas variadas válvulas para o controlo do escoamento dos gases de escape, havendo dois sistemas que se destacaram, tendo sido, posteriormente, “copiados” por outros fabricantes. O primeiro sistema foi inventado pela Yamaha (Figura 10), denominando-se de YPVS (Yamaha Power Valve System) [11]. Consiste numa válvula semicilíndrica colocada no topo da janela de escape, permitindo obstruir a passagem de parte dos gases.

Figura 10 - Esquema da YPVS [10]

Somente altera a sua posição em função da velocidade de rotação do motor (Figura 11) [11]. Este sistema foi aplicado em diversas motos desde 1980, sendo ao longo dos anos melhorada, passando de atuamento mecânico a eletrónico. Com este sistema, durante a sua invenção, possibilitou um incremento de 10 cv num motor de 350 cc, passando a debitar uma potência de 60 cv [11] e aumentar significativamente o binário a baixas rotações (Figura 11). Chegaram ainda a utilizar, mais tarde, uma válvula em guilhotina em alguns modelos [13]. Aquando a patente pertencente à Yamaha expirou, a maior parte dos fabricantes passou a utilizar este sistema nos seus motores a 2 tempos.

Figura 11 - Efeito da alteração da posição da YPVS na curva do potência do motor [11]

Com estas, a baixa rotação, é possível atrasar a saída dos gases de escape, permitindo menores consumos e maiores binários. Por oposição, a altas rotações, é possível avançar a saída dos gases, facilitando a sua expulsão, obtendo-se maior potência. Porém, devido ao facto de esta válvula não se aproximar ao cilindro, existe uma pequena perda de gases de escape antes do pistão passar por ela e descobrir a janela de escape.

O segundo pertence à Lotus Cars, desenvolvido no Institut Français du Petrol (IFP), consistindo numa válvula oscilante que permite fechar parcialmente a janela de escape. Esta válvula varia a sua fase em função da velocidade de rotação pelo que a baixas rotações a válvula teria efeito diferente no timing de abertura e fecho do escape do que a altas rotações. Por cada rotação da cambota, a válvula completa uma oscilação em que a descida da válvula controla o fecho do escape e a subida da válvula controla a abertura do escape. O movimento oscilatório é controlado por um eixo excêntrico e o ângulo de oscilação é controlado por um atuador, permitindo que seja definido um timing diferente e uma variação continua.

Este sistema é utilizado no motor OMNIVORE (Figura 12) que resulta da investigação por parte da Lotus [12]. Este motor a 2 tempos de injeção direta permite variação da taxa de compressão, controlo HCCI (Homogeneous Compression Charge Ignition) e possibilidade de utilização de vários combustíveis (Flex-fuel) [13].

Outros sistemas propostos:

A KTM (TVC – Twin Valve Control) e a Husqvarna (HTS – Husqvarna Torque System) possuem um sistema geometricamente semelhante ao da Lotus contando também com acionamento mecânico rotativo oscilante.

Figura 13 - Valvula de escape pertencente à Husqvarna [14]

A GasGas possui também um sistema muito semelhante ao anterior com o mesmo princípio de funcionamento (Figura 14) [15].

A Honda, com o sistema HPP (Honda Power Port) permite o controlo sobre o timing da abertura e fecho do escape com a ajuda de duas válvulas em guilhotina com movimento linear perpendicular ao eixo do pistão (Figura 15) [10]. As duas lâminas presentes neste sistema possuem o formato do contorno do cilindro, conseguindo bloquear um terço da abertura. É um dos sistemas que possui menos fugas mas, como desvantagem, é também um dos mais complexos a nível de acionamento [12].

Figura 15 - Sistema HPP [10]

O sistema RC-valve (Revolution Control valve) da Honda possui válvulas de movimento rotativo oscilatório de atuação eletromecânica através de um servomotor e de cabos de aço (Figura 16) [16].

Figura 16 - Sistema RC valve [16]

O sistema RAVE (Rotax Automatic Variable Exhaust) da Rotax (Figura 17) [10], é outro sistema de guilhotina utilizando na parte superior da janela de escape um êmbolo de movimento linear com

o qual é possível reduzir a passagem de gases/atrasar a saída dos gases de escape, dependendo da posição deste. A extremidade da guilhotina possui a curvatura do cilindro de modo a que a guilhotina se possa aproximar ao pistão. Esta é controlada pelas diferenças de pressão no escape [10].

Figura 17 - Sistema RAVE [10]

Semelhante ao anterior, o sistema AETC (Automatic Exhaust Timing Control), presente na Figura 18 [17], e SUPER AETC da Suzuki possuem de 2 a 4 peças que permitem bloquear o escoamento [12]. Somente realizam movimento linear através da conversão de movimento rotativo.

Existem também alguns sistemas destinados à alteração da geometria do escape.

O sistema KIPS (Kawasaki Integrated Powervalve System) da Kawasaki (Figura 19) não só controla o escoamento de duas pequenas janelas de escape (modificando a altura da janela), como permite também o escoamento para uma câmara adjacente [10]. É acionada mecanicamente em alguns motociclos de um cilindro e por um motor elétrico em alguns motociclos de dois cilindros da marca [12].

Figura 19 - Sistema KIPS [10]

A Suzuki possui o sistema SAEC (Suzuki Automatic Exhaust Control), presente na Figura 20 [10]. Este sistema utiliza uma válvula em tambor para controlar a passagem dos gases para uma câmara integrada no cilindro e cabeça, alterando a geometria do escape, de modo a permitir a alteração do escoamento dos gases de escape, com o objetivo de suavizar a entrega de potência, podendo atribuir mais potência a altas ou a baixas rotações em função da sua posição.

A Honda teve também um sistema muito semelhante ao SAEC da Suzuki conhecido por ATAC (Automatic Torque Amplification Chamber), presente na Figura 21 [10]. Esta utiliza normalmente uma válvula em borboleta mas também existe com válvula em túlipa para controlar o escoamento para o interior de uma câmara. Esta é controlada de acordo com a velocidade de rotação do motor. Assim, pela abertura da válvula, o efeito de retorno dos gases era atrasado pelo facto de terem um maior percurso a efetuar, aumentando a potência a baixas rotações.

Figura 21 - Sistema ATAC [10]

Uma variação deste sistema tem o nome de V-TACS (Variable Torque Amplification System). Este sistema possui um acionamento diferente do ATAC, funcionando somente em conjunto com um escape modificado que é afinado para obter máximo de potência a uma velocidade de rotação do motor pretendida, sendo que, normalmente, causam um decremento de potência fora da velocidade do motor a que fora afinado [12]. Assim, o sistema V-TACS permite a eliminação desse decremento de potência através da abertura de uma câmara. Em alguns motociclos esta válvula era acionada pelo próprio piloto com o pé [12].

2.8. Alteração do eixo do cilindro

O deslocamento do eixo do cilindro em relação ao eixo da cambota, eliminando a concorrência entre os eixos, elimina o efeito de simetria de abertura e fecho de janelas em relação ao PMI.

Figura 22 - Desvio do eixo do cilindro [3]

Deste modo, através do desvio do cilindro “para trás”, é possível obter uma distância entre PMI e o fecho do escape superior à distância entre a abertura do escape e o PMI, aumentando a quantidade de gases retidos na câmara de combustão.

Porém, este desvio do cilindro produz efeitos negativos, tal como a produção de maior atrito entre pistão e o cilindro, devido à maior inclinação da biela durante a expansão, o que incrementa os esforços laterais (em direção ao cilindro) no pistão, havendo maior desgaste e menos potência transmitida.

Pelo contrário, através do desvio do cilindro “para a frente”, é possível obter uma distância entre PMI e abertura do escape inferior à distância entre o fecho do escape e o PMI, aumentando o tempo que os gases queimados ficam retidos no cilindro, aproveitando as elevadas pressões para sobre-expansão. É também utilizado para a redução do atrito entre o pistão e o cilindro, dado que, durante a expansão, a biela não inclinar tanto, reduzindo os esforços laterais no pistão.

Uma desvantagem de utilizar este sistema consiste em alterar o equilíbrio do pistão durante as acelerações.

2.9. Cálculo de rendimentos

O valor de um rendimento reflete a eficiência térmica e/ou mecânica do motor em questão, com este valor é possível comparar diferentes motores, por muito diferente que sejam.

O rendimento global (ou total) de um motor depende de vários fatores/parâmetros, contabilizando desde a combustão em si até ao atrito gerado entre os diferentes componentes móveis. Com isto é possível o cálculo de diversos rendimentos e eficiências apresentados de seguida [3]:

 Rendimento de combustão (𝜂𝑐);

 Rendimento adiabático (𝜂_𝐴);

 Rendimento teórico (𝜂_𝑡);

 Rendimento relativo às propriedades dos fluidos (𝜂_𝑃);

 Rendimento inerente (𝜂𝐼);  Eficiência de bombagem (𝑒_𝐵);

 Rendimento mecânico (𝜂_𝑀).

- Rendimento de combustão: se existir compostos combustíveis nos gases de espace, tais como H2, HC, CO e partículas, isso significa que o combustível que se admitiu ao cilindro não foi todo

utilizado durante a combustão. Isto pode ocorrer por vários motivos como a dissociação que ocorre a elevadas temperaturas, pode ser devido à preparação da mistura em que, para uma combustão total, a mistura homogénea seria preferível. A turbulência tem também um papel na qualidade da combustão, em que, como já foi dito, uma elevada turbulência traz maiores benefícios para a combustão. Assim, o cálculo do rendimento de combustão engloba todos estes efeitos, sendo dado por:

𝜂𝑐 = 𝑄𝑐

𝑚𝑓. 𝑄𝑝𝑖 (10)

Em que 𝑄𝑐 representa o calor libertado pela combustão, 𝑚_𝑓 a massa de combustível retida no cilindro e 𝑄𝑝𝑖 o poder calorífico do combustível.

- Rendimento adiabático: como parte do calor libertado pela combustão é transferida para as paredes da câmara de combustão, cilindro e pistão, este não pode ser utilizado para a expansão pelo que idealmente a combustão deveria ocorrer num ambiente isolado onde não houvesse transferência de calor para as paredes, ou seja, adiabático. Fatores como a riqueza da mistura, a

velocidade do motor estão relacionados com o rendimento adiabático. Este pode ser calculado por:

𝜂_𝐴 =𝑄𝑎

𝑄𝑐 (11)

Sendo 𝑄𝑎 o calor realmente aproveitado.

- Rendimento teórico: somente dependente da taxa de compressão, pelo que o seu aumento resulta também num aumento de rendimento. Este exibe a relação entre o trabalho que teoricamente se poderia obter (pela segunda lei da termodinâmica), representado por 𝑊𝑡, e o calor realmente aproveitado proveniente da combustão:

𝜂𝑡 =

𝑊𝑡

𝑄𝑎 (12)

- Rendimento relativo às propriedades dos fluidos: durante o cálculo do ciclo teórico considera-se que as propriedades do fluido não variam. Na prática, isso não existe, já que a composição química do fluido varia durante o ciclo, desde a mistura do ar com o combustível, até aos compostos químicos resultantes da combustão. Para além da variação do fluido durante o ciclo, este também pode variar de ciclo para ciclo, devido à variação da riqueza da mistura, à variação da capacidade calorífica específica do ar e à variação das propriedades dos gases intervenientes. O rendimento relativo às propriedades dos fluidos é dado por:

𝜂𝑃 =

𝑊𝑝

𝑊𝑡 (13)

Em que 𝑊𝑝 representa o trabalho considerando as propriedades reais dos fluidos.

- Rendimento inerente: a passagem do ciclo ideal para o ciclo real resulta em perdas consideráveis. Isto é devido a vários fatores tal como a combustão não ser instantânea, pelo que a combustão completa a volume constante não existe, a existência de transferência de calor para as paredes e o tempo de escape não ser instantâneo. O rendimento inerente contabiliza estes fatores, excluindo a lavagem, ou seja, o tempo de escape e admissão. Assim, o rendimento inerente é dado por:

𝜂_𝐼 = 𝑊𝐼

𝑊𝑝 (14)

Em que 𝑊𝐼 representa o trabalho do ciclo inerente.

- Eficiência de bombagem: considera o processo de lavagem, em que revela a dificuldade em admitir os gases frescos e expulsar os gases queimados. Em motores sobrealimentados a pressão

de admissão é superior à pressão do escape pelo que esta eficiência poderá ultrapassar a unidade, revelando extrema facilidade de lavagem. Esta eficiência é dada por:

𝑒_𝐵= 𝑊𝑖

𝑊𝐼 (15)

Sendo 𝑊𝑖 o trabalho do ciclo indicado.

- Rendimento mecânico: pretende contabilizar o atrito gerado entre vários componentes. O fator que mais afeta o atrito é a velocidade de rotação do motor, estando englobados neste, a fricção, a lubrificação hidrodinâmica e a dissipação turbulenta. O rendimento mecânico é dado por:

𝜂𝑀 =

𝑊𝑒

𝑊𝑖 (16)

Em que 𝑊𝑒 representa o trabalho efetivo.

O rendimento total (𝜂_𝑇) resulta da multiplicação dos vários rendimentos referidos, pelo que é dado por:

𝜂_𝑇 = 𝜂𝑐 . 𝜂_𝐴. 𝜂_𝑡. 𝜂_𝑃. 𝜂_𝐼. 𝑒_𝐵. 𝜂_𝑀 (17)

Uma outra eficiência é possível de se calcular, denominada de eficiência volumétrica. Esta não interfere no rendimento total do motor mas afeta as prestações deste. Esta compara o volume de ar que entra no cilindro em cada ciclo com a cilindrada do motor, pelo que poderá ser superior à unidade se o volume de ar admitido for superior ao volume de ar correspondente à cilindrada. Para o cálculo desta temos:

𝑒_𝑣𝑜𝑙 = 𝑚𝑎𝑟 𝜌 × 𝑉_𝑉×

𝑇

2 (18)

Em que 𝑚_𝑎𝑟 representa a massa de ar admitido por ciclo, 𝜌 a densidade do ar, 𝑉_𝑉 o volume varrido pelo pistão e 𝑇 o número de tempos do ciclo.

2.10. Modelação de motores

Uma das ferramentas mais utilizadas na modelação de motores passa pela utilização de softwares CFD. Com estes é possível resolver problemas de uma ou mais dimensões, sendo mais utilizado para simulações 2D e 3D. Os softwares CFD são ferramentas que possibilitam a análise completa ao escoamento de um fluido independentemente da complexidade da geometria. Estes podem ser utilizados em vários tipos de escoamentos, não sendo normalmente focados só em motores. Na utilização destes para simulação do comportamento de um motor, devido ao elevado tempo de computação, é normal dividir ou limitar a secção a simular em pequenas partes, sendo estas normalmente de geometria mais complexa ou locais onde fenómenos complexos ocorrem (como por exemplo a câmara de combustão) [18].

Em geral, os modelos de simulação de motores são construídos sobre uma análise ao que ocorre na câmara de combustão. Os processos que ocorrem fora do cilindro atuam como fronteira ou como condições iniciais à combustão em si.

Para realizar a análise e transformá-la num modelo matemático, as leis gerais são denotadas para um ou mais volumes de controlo. Nestas leis estão presentes as equações de conservação de massa, momento, energia e entropia, sendo estas válidas em qualquer circunstância. Como existem mais termos desconhecidos do que equações é necessário introduzir leis auxiliares e equações constitutivas [19].

As leis auxiliares descrevem os termos que controlam parte dos fenómenos físicos nas leis gerais. Estas são normalmente formuladas como modelo de um processo e, como tal, são denominados como submodelos. Modelos de transferência de calor, escoamento nas válvulas, fluxo médio do cilindro e turbulência são exemplos de leis auxiliares [19].

As equações constitutivas são leis ou correlações que expressam o comportamento de uma substância ou sistema. Alguns exemplos são a equação de estado, propriedades termodinâmicas, velocidades de reações químicas e cinemática do pistão [19].

2.10.1. As leis gerais

Como foi dito anteriormente, as leis gerais expressam a conservação de várias propriedades tais como [19]:

- Equação de continuidade; - Equações de momento; - Equação de energia; - Equação de entropia.

A maior diferença entre várias formulações do modelo provém da escolha do volume de controlo. Estes podem ser volumes diferenciais em que aparecem sob a forma de três dimensões. Todas as leis gerais são equações diferenciais parciais de primeira ordem no tempo e até segunda ordem nas derivativas espaciais. As equações diferenciais podem também ser integradas como parte do volume 3D, sendo o volume de controlo finito em pelo menos uma direção. Isto corresponde a uma média sobre uma parte do domínio ou direção e reduz o detalhe das variações espaciais que podem ser analisadas.

A escolha de formulação do modelo é depois classificada de acordo com o número de direções espaciais em que a formulação espacial é realizada. Assim temos 0, 1, 2 e 3 dimensões organizadas por ordem crescente de complexidade matemática. Nos modelos 0D não existem equações diferenciais parciais com todas as variáveis contidas num volume finito, sendo o método integral conhecido como modelo termodinâmico. Assim temos basicamente duas classes de modelos:

- Modelos multidimensionais; - Modelos de dimensão zero.

Os benefícios dos modelos termodinâmicos são simplicidade e de solução/implementação fácil. As vantagens dos modelos multidimensionais são a resolução espacial e determinação do efeito de geometrias complexas. As desvantagens dos modelos termodinâmicos são a sua exagerada simplificação e a desconsideração pela variância geométrica, já nos modelos multidimensionais as desvantagens são de solução/implementação complexa e o aumento da incerteza durante o processo de modelação.

As leis gerais têm a mesma aparência em ambas as formulações sejam por equações diferenciais ou por equações integrais. Estas devolvem a taxa de variação de uma propriedade num determinado volume de controlo onde ocorre mudança devido a alterações entre entrada e saída de escoamento, difusão de propriedade e à possibilidade de produção dessa propriedade.

2.10.2. Modelos 0D

Quando o volume de controlo é tomado como toda a câmara de combustão na formulação integral dá-se o nome de modelo 0D. Este tipo de modelo é referido como modelo termodinâmico ou modelo fenomenológico. A maior parte das propriedades resultam na média aproximada em todo o volume do cilindro e não estará disponível informação espacial. Estes modelos guiam-se em alguma perceção da física envolvida e tentam capturar as características principais dos processos, sendo ideais para estudos paramétricos.

Modelos em uso de este tipo são implementados como modelos multi-zona em reconhecimento da distribuição espacial de propriedades. Durante a combustão a carga em cada volume de controlo é dividida em duas zonas, uma com gases frescos e outra com gases queimados. Antes e depois da combustão é assumido que os gases são uniformes em todo o volume de controlo. Outras zonas podem ser acrescentadas para uma cálculo mais realístico da taxa de transferência de calor ou para configurações com pré-camara [19].

2.10.3. Modelos multidimensionais

Estes modelos resolvem equações diferenciais de conservação de massa, momento, energia e de concentração de compostos químicos. O método mais comum de discretização é a divisão da região de interesse num número de zonas pequenas ou células. Estas células formam uma malha de volumes finitos que se utilizam para o cálculo de aproximações de equações diferenciais. A variável do tempo é igualmente discretizada numa sequência de pequenos intervalos de tempo e a solução transiente em tn+1 é calculada com base na solução conhecida em tn. Formulação a três

dimensões das equações de diferenças finitas é necessária para cálculos mais rigorosos. No entanto, formulações a duas dimensões, podem ser utilizados em situações de escoamentos mais simples, necessitando de menor poder computacional [18].

Os principais componentes destes modelos multidimensionais são os seguintes [20]:

- Os modelos matemáticos ou equações usadas para descrever os processos do escoamento. O modelo de turbulência é especialmente importante, descrevendo as características do escoamento em pequena escala, estando estes inacessíveis para cálculo direto.

- Os procedimentos de discretização utilizados para transformar as equações diferenciais do modelo matemático em relações algébricas entre valores discretos de velocidade, pressão, temperatura, etc, localizados na malha de cálculo que adapta a geometria da câmara de combustão com pistão e válvulas móveis.

3. Válvula em estudo

O objetivo desta tese reside em desenvolver e projetar uma válvula rotativa (baseada numa patente [2]) para controlar independentemente a abertura e fecho da janela de escape de modo a retirar a simetria do timing do escape em relação ao seu PMS. O motor conceptualizado com utilização da válvula em questão pode ser observado na Figura 23.

Figura 23 - Motor a 2 tempos com válvula rotativa no escape

A válvula roda à mesma velocidade da cambota e, como se pode ver na Figura 24, possui duas hastes. Com isto pretende-se controlar a abertura da janela de escape com uma e o fecho com a outra, podendo estas ser controladas individualmente em função da velocidade ou da carga do motor afastando ou aproximando as duas válvulas [21] (ver Figura 26). Ainda nesta imagem é possível observar que as hastes são côncavas. Esta concavidade é necessária para minimizar as fugas dos gases de escape (existentes na folga entre o pistão e a válvula), tendo estas um diâmetro igual ao cilindro e estando localizadas o mais próximo possível do cilindro como demonstrado na Figura 23.

Figura 24 – Esquema da válvula

Pistão Válvula Cambota Biela Vela de ignição Hastes Suportes das hastes

3.1. Desenvolvimento da válvula

Ao longo do desenvolvimento deste trabalho foram surgindo novas ideias de melhoramento deste sistema. Por tal, a geometria do escape e das janelas foi sofrendo transformações durante o estudo. Na Figura 25 mostram-se essas transformações, podendo-se observar as diferenças entre cada fase.

Figura 25 - Evolução da geometria do modelo 3D

No início (modelação 1 e 2 da Figura 25), a modelação representava um motor de 124.8 cm3 com

as seguintes características:

Tabela 1 - Características do motor escolhido inicialmente

Nº de cilindros: 1 Tipo: 2 Tempos Cilindrada: 124.8 cm3 Diâmetro do cilindro: 54 mm Curso do pistão: 54.5 mm

1

2

3

4

5

6

7

Esta geometria teve somente uma evolução/modificação, passando de 2 janelas de transferência (modelação 1 da Figura 25) para 4 janelas de transferência (modelação 2 da Figura 25).

A partir da modelação 3 (da Figura 25), houve um acréscimo de cilindrada para 249 cm3,

pensando-se que este tipo de sistema seria mais eficaz para motores desta gama, passando este a ser o modelo a estudar. Este motor possui as seguintes características:

Tabela 2 - Características do motor escolhido

Nº de cilindros: 1

Tipo: 2 tempos

Cilindrada: 249 cm3

Diâmetro do cilindro: 66.4 mm

Curso do pistão: 72 mm

Na introdução da maior cilindrada (249 cm3), alterou-se por completo a geometria da conduta de

transferência (passando a ter novamente 2 janelas de transferência), proporcionando um melhor enchimento e lavagem, já que previas simulações efetuadas demonstravam baixo rendimento de lavagem.

As sucessivas modificações/evoluções foram a nível do escape, juntamente com as respetivas válvulas. Na modelação 4 (da Figura 25), retirou-se um suporte a ambas as hastes da válvula, como se pode observar nas duas imagens da direita da Figura 26.

Figura 26 - Evolução da geometria da válvula (inicial à esquerda e final à direita)

Com esta alteração foi possível colocar um defletor num lado da “cápsula” da válvula de modo a direcionar o escoamento (Figura 27 à direita). A área de saída do escape foi também aumentada para uma área equivalente à da janela de escape de modo a facilitar o escoamento. A cabeça também foi alvo de alterações, aumentando o volume da câmara de combustão.

Para obter os ângulos das hastes da válvula e a sua posição inicial foi criado um modelo em Excel (presente no capítulo 4) que permite obter esses valores em função de um conjunto de inputs

definidos pelo utilizador, podendo ser utilizado para diversos motores de geometrias distintas. Desses inputs fazem parte os timings da válvula e da abertura das janelas bem como dimensões do motor tal como diâmetro da cambota, comprimento da biela, distância do topo do pistão ao pino do pistão, sentido de rotação da válvula, diâmetro da válvula (valor a meio da válvula) e distância entre o centro da válvula ao topo do pistão no PMS. No capítulo 4 está presente a explicação deste modelo.

Figura 27 - Vista interior da “cápsula” da válvula (inicial a esquerda e defletor à direita)

Na modelação 5 (da Figura 25) alterou-se a saída de escape para a lateral de modo a que a segunda haste da válvula não impeça o escoamento de saída dos gases de escape. Devido a restrições do software Converge CFD (em que não é possível ter três faces com uma aresta em comum), foi necessário colocar a saída de escape diretamente à frente da janela de escape, deixando apenas a folga necessária de passagem da válvula como demonstrado na Figura 28.

Janela de escape Saída de escape Válvula Conduta de escape

A evolução da modelação 5 para a 6 (da Figura 25) teve o objetivo de reduzir o volume de gases em circulação no escape, permitindo uma saída mais direta, sem haver muita turbulência. Nesta, como se pode ver na Figura 29, a válvula circula dentro de uma “calha” havendo uma folga para permitir o seu funcionamento. A conduta de saída dos gases está ligada diretamente ao interior desta “calha”, obrigando a que todos os gases do cilindro passem para o escape.

Figura 29 - Esquema simplificado do posicionamento da saída de escape

Por fim, na última (modelação 7 da Figura 25), existe somente uma alteração a nível da cabeça, o que permitiu a redução da taxa de compressão.

Após esta, as modificações efetuadas foram a nível de timing da abertura e fecho das janelas e válvula e a nível da taxa de compressão, alterando-se a geometria da cabeça.

Saída de escape

Válvula Cilindro

Janela de escape

3.2. Acionamento da válvula

Este tipo de válvula tem dois mecanismos de controlo distintos. Um mecanismo é responsável por desfasar a válvula em relação à posição da cambota do motor e um outro mecanismo para aproximar ou afastar ambas as hastes uma da outra. Ambos os mecanismos permitem uma variação contínua de ambas as hastes da válvula independentemente uma da outra [2], apresentado-se de seguida uma breve apresentação e explicação do seu funcionamento.

3.2.1. Alteração da fase da válvula

A alteração da fase da válvula é feita por um mecanismo como o apresentado na Figura 30 [2].

Figura 30 - Esquema do mecanismo de alteração da fase da válvula [2]

Na Tabela 3 está listada a legenda da Figura 30.

Tabela 3 - Lista de componentes presentes no mecanismo de alteração da fase da válvula

Item Descrição

1 Roda dentada presente no eixo da cambota 2 Correia dentada ou corrente de elos

3 Roda dentada presente no eixo da válvula rotativa de escape 4 Tensor deslizante

A presença de um tensor de correia (ou corrente) deslizante permite desfasar o eixo da válvula rotativa relativamente à cambota, mantendo a sincronização entre ambos os eixos (cambota e válvula). Na Figura 30 está apresentada a diferença do ângulo do eixo da válvula para duas posições distintas do tensor (posição a e b).

3.2.2. Controlo das hastes

O controlo do afastamento e aproximação das hastes é feito através do deslizamento do eixo das válvulas como se pode observar na Figura 31 [2].

Figura 31 - Esquema do mecanismo de controlo das hastes [2]

Na Tabela 4 está listada a legenda da Figura 31.

Tabela 4 - Lista de componentes presentes no mecanismo de controlo das hastes

Item Descrição

1 Motor elétrico linear de passo 2 Sulco longitudinal (escatel) 3 Veio

4 Sulcos em espiral 5 Mola

Neste mecanismo o motor elétrico faz o movimento linear do veio com retorno por mola. As hastes possuem uma saliência na base que percorre o sulco em espiral do veio. Assim, pelo movimento linear do veio é possível afastar ou aproximar as hastes. O veio tem ainda um escatel onde se vai situar uma roda dentada de modo a fazer a transmissão desde a cambota.