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CAPITULO 5
Potência máxima
Regulagem da carga
Enchimento do motor
Indice
1. Procura da potência máxima de um motor;
2. Regulagem de carga para motores clássicos;
3. Caracterização das operações de transvazamento de gases;
4. Definições relativas a mistura combustível
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Volvo Powertrain - Julio Lodetti
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1. Procura da potência máxima de um
motor
• Consideraremos uma máquina a combustão mono-cilindro, contendo
uma massa de ar Mar podendo participar da combustão.
• O máximo trabalho indicado que pode ser fornecido a cada ciclo pode
ser descrito:
Wi =M air .q.ηth
Pi = nc . M air . q . ηth
Vazão de ar
• nc: Nº de tempos motores por segundo;
• q: Energia calorifica da mistura associada a unidade de masa de ar (kJ/kg de ar);
• Mair: Massa de ar que participa na combustão:
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1. Procura da potência máxima de um
motor
• A potência efetiva é:
Wi =M air .q.ηth
Pi = nc . M air . q . ηth
Vazao de ar
Pe = ( nc . M air . q ) . ηth . ηorg
A “vazão de ar”, “energia específica” e “ rendimentos” não são totalmente
Independentes.
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• Para un rendimentoη th dado, a potência máxima é obtida para uma
riqueza ≥ 1
Procura potencia maxima dum motor
q = qs para Φ ≥ 1
q = Φ.qs para Φ < 1
Gasolina
Diesel
• Se realizamos essa regulagem,ou seja, relação ar/combustível fixa,
para aumentar a potência atuaremos sobre:
Pe = ( nc . M air . q ) . ηth . ηorg
↑ nº de cilindros
nc Æ
↑ N ou nº de tempos motor por volta
↑ Vu
Mair Æ
η org
Melhorando o enchimento em ar
Æ Diminuindo as perdas mecânicas (atritos e auxiliares)
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Aumento da potência por ↑ N
1. A vazão de ar aumenta com N até um certo limite, a partir do qual
começa a diminuir o rendimento volumétrico do motor.
2. ↑ N
↑ esforços mecânicos (acelerações f(N2))
3. ↑ N
↑ atritos
4. ↑ N
↑ carga térmica do motor:
carga térmica ≈ PME * Vp
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Aumento da potência pelo aumento do
numero de tempos motores por volta
• Duas possibilidades:
– O ciclo “dois tempos”: Permite um tempo motor por volta.
– Motores a duplo efeito nos quais duplicamos os tempos motores
fazendo atuar os gases acima e abaixo do pistão. Esta solução já
foi usada em motores Diesel LENTOS. Mas devido a sua
complexidade tecnológica, foi substituído pela estratégia de
sobre-alimentação.
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Aumento da potência por melhoramento
do enchimento em ar
• Para un motor com:
– Geometria conhecida (Vu, nºcilindros, …)
– N fixo
– Rendimentos
ηth
e
η org invariáveis
O aumento de potência só pode ser
conseguido aumentando-se a massa de
ar que pode participar da combustão
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• Rendimento volumétrico:
Caracteriza a massa de ar aprisionada dentro de um cilindro de dimensão qualquer (
cilindrada de referência) sob uma determinada condição de funcionamento
M air
ηv =
M ref
ρadm
Mref = ρadm . Vcyl
• Densidade do ar no sistema de admissão
ou
• Densidade no ar atmosferico
Em aspiração natural, o enchimento motor depende em
de alimentação em ar do motor:
Circuito admissão
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primeiro lugar do circuito
Sistema de distribuição
Sedes de válvulas
Otimização do escoamento
Admissão
Escapamento
STD
Otimizado
-3 ângulos na sede
-Válvula com área de
contato menor
STD
Otimizado
-3 ângulos na sede
Fonte: Livro La Preparation des Moteurs - ETAI
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Otimização do fluxo no cabeçote
banca de fluxo
Fonte: Livro La Preparation des Moteurs - ETAI
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Sistemas de distribuição nos motores
alternativos
PMH
PMB
Fonte: Renault
Diagrama teórico
•
Consideram-se as inércias da massa de ar;
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•
Diagrama real
AOA: Avanço da abertura da admissão
RFA: Retardo de fechamento admissão
AOE: Avanço abertura escapamento
RFE: Retardo fechamento escapamento
A abertura e fechamento das válvulas não é instantâneo
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alternativos
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13
alternativos
Cruzamento
Levantamento
de
enquadramento
ESCAPAMENTO
ADMISSÃO
•Nos últimos anos, grande desenvolvimento dos sistemas de distribuição variável:
•Defasagem do eixo de comando;
•Variação amplitude do levantamento das válvulas;
•Em breve: Comando eletro-magnetico ou hidráulico das válvulas.
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alternativos
Lift
Velocidade
Aceleração
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Volvo
Powertrain
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Fonte:
La prepatation
des- moteurs-ETAI
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Sistemas de
distribuição
nos motores
alternativos
Motor 2.0 TURBO Rallye
Motor 2.0 TURBO Super Turismo
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Volvo
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Julio Lodetti
Fonte:
La prepatation
des- moteurs-ETAI
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alternativos
Fonte: Edelbrock.com
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alternativos
•Defasagem do eixo de comando;
Advantage:
Disadvantage:
Who use it ?
Cheap and simple, continuous VVT improves torque delivery across the whole rev range.
Lack of variable lift and variable valve opening duration, thus less top end power than cam-changing VVT.
Most car makers, such as:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Audi V8 - inlet, 2-stage discrete
BMW Double Vanos - inlet and exhaust, continuous
Ferrari 360 Modena - exhaust, 2-stage discrete
Fiat (Alfa) SUPER FIRE - inlet, 2-stage discrete
Ford Puma 1.7 Zetec SE - inlet, 2-stage discrete
Jaguar AJ-V6 and updated AJ-V8 - inlet, continuous
Lamborghini Diablo SV engine - inlet, 2-stage discrete
Porsche Variocam - inlet, 3-stage discrete
Renault 2.0-litre - inlet, 2-stage discrete
Toyota VVT-i - inlet, continuous
Volvo 4 / 5 / 6-cylinder modular engines - inlet, continuous
Fonte: www.ukcar.com
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alternativos
• CAMELESS Renault e VALEO: eletromagnético
Fonte: webmotors
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alternativos
• CAMELESS LOTUS: Hidráulico e/ou pneumático
Fonte: Engine Technology International Magazine
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alternativos
• Válvulas rotativas ou esféricas
Fonte: www.coates.com
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Sistemas de
distribuição nos
motores alternativos
• BMW Valvetronic
Fonte: bmw.com
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alternativos
• Operating Parameters:
• Valve lift is variable between 0 and 9.7 mm.
• Adjustment of the worm gear from one extreme to the
other takes 300 milliseconds.
• Combined with double-Vanos valve timing technology,
the camshaft angle relative to the crankshaft can be
adjusted by up to 60°.
• The intermediate arm is finished to a tolerance of 0.008
mm.
• The cams controlling the eccentric shaft are machined to
tolerances of a few hundredths of a millimeter.
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alternativos
• Acionamento
DESMODRÔMICO
Principais construtores a utilizar a
solução:
• Salmson type M9 nos anos 20;
• Mercedes-Benz nos anos 50;
• Ducatti nos dias de hoje
Foto: J.Lodetti
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alternativos
fonte: www.carbibles.com
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alternativos
• Fiat Multi-Air
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Circuitos de admissão
• Sobre-alimentação dinâmica:
– Baseada em fenômenos de pulsação que aumentam a pressão
dos gases na admissão.
– Depende das características dos condutos de admissão e
escapamento: comprimento, forma, diâmetro, ...
– Só funciona para pequenas faixas de regime.
•Sistemas de admissão variável:
Ver página 57.
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Análise simplificada do enchimento
dinâmico
• Para TODO motor, o sistema
de admissão, do ar ambiente
até os cilindros, constitui um
sistema ressonante.
• O mesmo é válido para o
sistema de escapamento do
motor.
• Similar ao que indica a figura
ao lado.
• Abordaremos neste tópico,
somente os fenômenos
ligados a admissão do motor.
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Massa de ar
dinâmico
• A TODO momento, na fase de
admissão, podemos considerar
que a pressão “P” que reina logo
antes da válvula de admissão,
resulta de 2 componentes:
• Oscilação forçada: Pelo pistão
• Oscilação livre: Dependente
das características geométricas
e acústicas do duto de admissão.
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29
dinâmico
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Volume variável
dinâmico
• Sobreposição dos 2 tipos de oscilação, ao longo de um ciclo.
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Influência da
rotação
sobre o enchimento
• Existe uma rotação do motor que
causa uma ressonância na
admissão.
• A velocidade dos gases “frescos” é
NULA, na seção da válvula,
quando de seu fechamento.
• A pressão no CILINDRO é então
MÁXIMA e igual a pressão no duto
de admissão.
• LOGO: Enchimento MAXIMO em
ar do motor.
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Influência da
rotação
sobre o
enchimento
• Se o regime de rotação for MENOR
que o de ressonância;
• A velocidades dos gases “frescos”
se anula ANTES do fechamento da
válvula de admissão;
• E antes que ela se feche, a
velocidade dos gases “frescos” se
INVERTE e volta para o circuito de
admissão.
• LOGO: Perda de enchimento em
ar.
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Influência da
rotação
sobre o enchimento
• Se o regime de rotação for MAIOR
que o de ressonância;
• A válvula se FECHA antes que a
velocidades dos gases “frescos”
seja nula, quando do fechamento
da válvula de admissão;
• Não dá tempo então para encher
completamente o cilindro;
• LOGO: Perda de enchimento em
ar.
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dinâmico
Com a válvula fechada, o duto de
admissão se comporta como um tubo
fechado em uma extremidade
• 1 : chegando a extremidade aberta, a
onda de pressão se reflete em onda de
depressão
• 2: A onda de depressão se reflete na
válvula (extremidade fechada) sem
mudar de sinal;
• 3: De retorno a extremidade livre, a
onda volta para a válvula em forma de
onde de pressão
Fonte: La preparation des Moteurs-ETAI
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dinâmico
Com a válvula fechada, o duto de
admissão se comporta como um tubo
fechado em uma extremidade.
- Entre 2 oscilações de pressão ( ou
depressão) a onde percorre 4x o
comprimento do duto. O sistema vibra
então a ¼ de onda.
Onde:
L = comprimento do duto
C = velocidade de propagação da onda =
velocidade do som f(temperatura)
f = freqüência de vibração
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dinâmico
Pressão +
No caso real, beneficia-se de uma sobre-alimentação acústica se no momento
de abertura da válvula (AOA) a onde de pressão refletida no conduto esteja
em fase com a onda de depressão provocada pelo movimento de descida do
pistão.
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dinâmico
Pressão -
No caso real, NÃO se beneficia de uma sobre-alimentação acústica se no
momento de abertura da válvula (AOA) a onda de pressão refletida no
conduto esteja em fase INVERSA com a onda de depressão provocada pelo
movimento de descida do pistão.
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38
dinâmico
Exemplo:
L = 600 mm = 0,6 m
T = Temperatura média dos gases na
admissão = 40 C ~313 K
Θa = 300!! = ângulo de abertura da válvula
de admissão
Elocubrando-se matematicamente o efeito
do ângulo de abertura da válvula tem-se
os regimes de acordes:
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Para K (1,2,3,4...)
= sobre-alimentação positiva
Para K (1,5 ; 2,5 ; 3,5 ;...)
= sobre-alimentação negativa
dinâmico
• A curva de enchimento
volumétrico de um motor é
modulada por sobre
alimentações ( K inteiro) e
subalimentações acústicas.
• Isto se deve ao fato que a
coluna gasosa vibra em ¼ de
onda dentro do duto de
admissão e entre 2 aberturas da
válvula
Volvo Powertrain
40
Circuitos de admissão
Volvo Powertrain
41
Volvo Powertrain
42
Volvo Powertrain
43
Sobre-alimentação
• Método generalizado hoje, pode ser por :
– Turbo-compressor
– Compressor movimentado mecanicamente (BLOWER)
• Normalmente se associa um radiador (intercooler) para
arrefecer o ar antes de chegar ao cilindro.
M air =
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p . Vcyl
r .T
Sobre-alimentação
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
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Sobre-alimentação por Turbo-Compressor
Video
Volvo Powertrain
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Aplicações Diversas Turbo-Compressor
Volvo Powertrain
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Sistema de admissão com compressor volumétrico –
“Blower”. Motores a ignição por centelha
The TVS supercharger’s patented design features four-lobe rotors and high-flow inlet
and outlet ports that greatly enhance thermal efficiency, deliver higher volumetric
capacity, and enable higher operating speeds. The improvements incorporated into the
TVS design allow for the use of a smaller supercharger, reducing the package size and
weight of the system. The sizes range from 350cc to 2300cc per revolution, and cover
engines from 0.6 liter up to large displacement V-engines. All TVS superchargers have a
2.4 pressure ratio capability and a thermal efficiency that exceeds 70 percent, which
enables more compact packaging and greater output. => FONTE: EATON
Volvo Powertrain
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Sistema de admissão
com compressor
volumétrico para
motores diesel
automotivos
Fonte: Automotive Engineer Magazine
Volvo Powertrain
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Sistema de admissão com compressor
volumétrico – “Blower”
Volvo Powertrain
50
Sistema de admissão com compressor volumétrico –
“Blower”
62%
Eficiência
Rotor Speed
Volvo Powertrain
51
Fonte: eaton.com
Sistema de admissão com Blower – tipo
“Roots”
1 bar @ 57% eficiência
Volvo Powertrain
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Sistema de sobrealimentação com Blower –
tipo “Roots”
Bentley 1929 – Le Mans winer
Fotos: J.Lodetti
Top Fuel Dragster
Volvo Powertrain
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Sistema de admissão com Blower – tipo “Roots”
MAD MAX
Ford XB Falcon Hardtop 1973
The motor in Max's car may have been a 300 horsepower 351 cubic inch
(about 5.7 liters) V8 but there is some controversy. It has a Weiand
supercharger that is non-functional. I don't believe anyone has ever made a
functional supercharger which can be switched on and off . In the movies,
the supercharger was actually driven by an electric motor rather than by the
engine itself. So, even though it is said in Mad Max (the movie) that the car
is 600 hp, it was in actuality only 300 hp. However, if the supercharger was
functional, it just might be possible to generate about 600 hp but the engine
probably wouldn't last very long. …
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Sistema de sobre-alimentação com
“Paxton”
J Lodetti
Volvo Powertrain
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Sistemas de sobre-alimentação
Compressor “G” by VW
Volvo Powertrain
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Compressor “G” by VW
Volvo Powertrain
57
COMPREX
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COMPREX
Volvo Powertrain
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COMPREX
Volvo Powertrain
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Index
1. Procura da potência máxima de um motor;
2. Regulagem de carga para motores clássicos;
3. Caracterização das operações de transvazamento de gases;
4. Definições relativas a mistura combustível
Volvo Powertrain
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Regulagem da carga nos motores
clássicos
• Os rendimentos ηth e η org dependem das características de
construção, de regulagem e das condições de utilização do motor.
• Para um N fixo, o utilizador pode regular a carga do motor atuando
sobre:
M air .q , seu equivalente = M mel .q *
-Atuamos sobre Mair (borboleta)
• Motor a igniçao centelha:
• Motor Diesel:
-q* (energina calorífica especifica)
sensivelmente cosntante pois R = cte
-Atuamos sobre vazão de
combustível “q”
-Mair sensivelmente constante
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