Thiago Andres i Moes
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UNIVERSIDADE DE SO PAULO
NCLEO DE ENGENHARIA TRMICA E FLUDOS
THIAGO ANDR FARIA SIMES
Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de
admisso plstico soldado por vibrao.
SO CARLOS
2010
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THIAGO ANDR FARIA SIMES
Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de
admisso plstico soldado por vibrao.
Dissertao apresentada ao Ncleo de Engenharia Trmica e Fludos da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica. rea de Concentrao: Motor de Combusto Interna Orientador: Prof. Dr. Antonio Moreira dos Santos
SO CARLOS
2010
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AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP
Simes, Thiago Andr Faria S593a Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de
um coletor de admisso plstico soldado por vibrao / Thiago Andr Faria Simes ; orientador Antonio Moreira dos Santos. - So Carlos, 2010.
Dissertao (Mestrado-Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Mecnica e rea de Concentrao em Motor de Combusto Interna) - Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2010.
1. Coletor de admisso. 2. Motor de combusto interna. 3. Desempenho do motor. I. Ttulo.
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DEDICATRIA
A Deus
A Daniela Marangoni Simes, minha esposa, com amor, admirao e gratido por
sua compreenso, carinho, presena e apoio ao longo do perodo de elaborao
deste trabalho.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, pela vida, sade e sabedoria.
A Daniela minha esposa pelo apoio e compreenso.
Aos familiares e amigos pela compreenso.
Ao Prof. Dr. Antnio Moreira dos Santos, meu orientador, pela ateno e apoio
durante o processo de orientao.
Delphi Automotive Systems do Brasil Ltda, nas pessoas do Sr. Roberto M. Stein e
Wagner Lemmermann, pelo apoio e compresso durante o mestrado.
Faculdade de Engenharia Mecnica da Universidade de So Paulo, pela
oportunidade de realizao do curso de mestrado.
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EPGRAFE
Aquele que capaz de fazer infinitamente mais do que tudo o que pedimos ou
pensamos, de acordo com o seu poder que atua em ns, a ele seja a glria na igreja
e em Cristo Jesus, por todas as geraes, para todo o sempre! Amm!
Ef. 3:20
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RESUMO
SIMOES, THIAGO A. F. Aspectos a serem considerados no desenvolvimento de um coletor de admisso plstico soldado por vibrao. 2010. 131 f. Dissertao (Mestrado) Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade de So Paulo, 2010.
O projeto do coletor de admisso essencial para alcanar o melhor desempenho
de um motor de combusto interna, e, portanto diversos parmetros devem ser
considerados durante o desenvolvimento do mesmo. Por exemplo, uma distribuio
de ar no uniforme conduz a uma eficincia volumtrica no uniforme no cilindro,
perda de potncia e aumento do consumo de combustvel. Por outro lado, as
variaes de presso no coletor de admisso, devido aos efeitos pulsantes no
escoamento do ar podem substancialmente aumentar ou reduzir o desempenho do
motor. Atualmente, no Brasil, a maior parte dos coletores de admisso fabricada a
partir do nylon com fibra de vidro, pois proporciona reduo de peso, reduo de
atrito nos dutos e geometrias internas complexas. Porm, novos fatores se tornam
importante como reduo de integridade estrutural e atender a requisitos de presso
de estouro. Este trabalho apresenta as principais etapas de desenvolvimento de um
coletor de admisso plstico soldado por vibrao. Primeiramente as principais
dimenses do coletor so definidas a partir da simulao unidimensional. A partir
disso, o modelo tridimensional construdo levando em considerao o espao
disponvel no compartimento do motor e aspectos que permitam a injeo e solda
das partes. Em seguida, a geometria interna do coletor otimizada visando diminuir
as perdas de carga aumentando a eficincia volumtrica. A integridade estrutural do
coletor e solda deve ser analisada a fim de atender os requisitos do cliente. Ao
confirmar o desenho do coletor de admisso atravs de testes com peas prottipos,
se inicia a fabricao dos ferramentais de produo.
Palavras chave: Coletor de admisso, Motor de combusto interna, Desempenho do motor.
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ABSTRACT
SIMOES, THIAGO A. F. Aspects to be Considered Through the Development of a Plastic Intake Manifold Vibration Welded. 2010. 131 p. Dissertation (Master Degree Engineering Mechanical University, So Paulo University, 2010. Intake manifold project is essential to achieve the best internal combustion engine
performance, and, therefore, several parameters should be considered during it
development. For instance, an uneven air distribution lead to uneven cylinder
volumetric efficiency, power loss and increased fuel consumption. On the other hand,
pressures variations within intake manifold due to air flow transient effects could
substantially increase or decrease the engine performance. Nowadays, in Brazil, the
majority of the intake manifolds are fabricated from nylon with glass fiber which
provides weight reduction, wall friction reduction and complex internal geometries.
However, new factors become important like structural integrity reduction and
withstand to burst pressure. This work presents the mainly development stages of a
plastic intake manifold vibration welded. First, the basic intake manifold dimensions
are defined through one-dimensional simulation. From this, three-dimensional model
is built considering the engine compartment space available and aspects which
allows injection and welding process of manifold shells. Then, intake manifold
internal geometry is optimized to minimize air flow losses, increasing the volumetric
efficiency. Intake manifold structural integrity and welding quality should de evaluated
to withstand customer requirements. Confirming the intake manifold drawing through
tests with prototype parts, production tooling is started.
Keywords: Intake manifold, Internal combustion engine, Engine performance.
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LISTA DE ILUSTRAES
FIGURA 01. Transmisso da fora aplicada no pisto ao eixo do automvel (Department of the Army, 1985). ................................................................... 24
FIGURA 02. Ciclos de operao de um motor de quatro tempos (HEYWOOD, 1988). ............................................................................................................ 26
FIGURA 03. Esquema do princpio de operao do dinammetro (HEYWOOD, 1988). ............................................................................................................ 29
FIGURA 04. Curva caracterstica de Torque e Potncia (PULKRABEK, 2003). ................ 30
FIGURA 05. Ciclo Otto ideal, 6-1-2-3-4-5-6, representativo dos motores de ignio por centelha. (a) Diagrama de presso versus volume especfico. (b) Diagrama de temperatura versus entropia (PULKRABEK, 2003). ................ 33
FIGURA 06. Eficincia trmica do ciclo Otto para = 1,4 (MORAN e SHAPIRO, 2002). ............................................................................................................ 36
FIGURA 07. Os processos de admisso e exausto em motores de ignio por centelha de quatro tempos: (a) valores mdios da presso de admisso; (b) diagramas vlvulas e presso versus volume; (c) sistema de exausto; (d) presso no cilindro P e levantamento da vlvula em funo do ngulo no eixo de manivelas. Linhas slidas representam o corpo de borboleta na condio de plena carga enquanto linhas tracejadas em condies parciais. Pab e Pdb = Perda de carga antes e depois do corpo de borboletas, respectivamente (HEYWOOD, 1988). ...................................................................................... 38
FIGURA 08. Efeito do vapor de combustvel na presso parcial do ar. Proporo de presso do ar na entrada com a presso da mistura versus taxa de equivalncia para vapor de isooctano, propano, metano, vapor de metanol e hidrognio (HEYWOOD, 1988)..................................................... 44
FIGURA 09. Efeito da razo das presses de Admisso e Exausto na eficincia volumtrica do ciclo ideal (HEYWOOD, 1988). ............................................. 47
FIGURA 10. Perdas de presso no sistema de admisso de um motor de ignio por centelha em regime permanente (HEYWOOD, 1988). ........................... 50
FIGURA 11. Presso no coletor de exausto em funo da carga e velocidade de um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). ............................. 51
FIGURA 12. Presso instantnea no coletor de admisso e exausto de um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). ................................................ 54
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FIGURA 13. Eficincia volumtrica pela velocidade mdia do pisto de um motor Diesel e um motor de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988). .................. 56
FIGURA 14. Efeitos de diferentes fenmenos do escoamento do ar na eficincia volumtrica do motor em funo da velocidade (HEYWOOD, 1988). ........... 57
FIGURA 15. Coletor de admisso: Dutos e Plenum (Delphi Automotive Systems). ........... 59
FIGURA 16. Curva de penetrao versus tempo representativa das quatro fases do processo de solda por vibrao. Fase I: Atrito do material slido. Fase II: Formao em regime no-permanente da pelcula fundida. Fase III: Formao em regime permanente da pelcula fundida. Fase IV: fase de resfriamento ou solidificao sobre presso, aps movimento de vibrao cessado (Plastics Design Library, 1997)......................................... 66
FIGURA 17. Equipamento de solda vibracional linear (BRANSON)................................... 66
FIGURA 18. Dispositivo de solda. (A) Dispositivo montado. (B) Parte inferior. (C) Parte superior, (Delphi Automotive Systems)................................................ 68
FIGURA 19. Esquema otimizado do perfil de presso para obteno de alta resistncia de solda em curtos perodos de tempo. Um presso inicial alta, p1, diminuda na fase III. A baixa frequncia mantida no perodo de resfriamento (Plastics Design Library, 1997)............................... 70
FIGURA 20. Tipos de cordo de solda (BRANSON). ......................................................... 72
FIGURA 21. Detalhes de um cordo de solda (Plastics Design Library, 1997). ................ 73
FIGURA 22. Esquemas de alinhamento das partes para realizao da solda por vibrao. (a) Alinhamento atravs de abas. (b) Alinhamento atravs de pinos. (c) Alinhamento atravs de abas internas. (BRANSON). ................... 74
FIGURA 23. Mximo ngulo permitido no sentido de vibrao (BRANSON). .................... 74
FIGURA 24. Sentido de solda (BATES et al, 2004)............................................................ 76
FIGURA 25. Imagem de um coletor de admisso. (A) Parte superior. (B) Parte inferior. (C) Torres. (D) Galho de injeo. (E) Entrada circular, (BATES et al, 2004). ................................................................................................... 77
FIGURA 26. Presso de estouro de um coletor de admisso em funo da presso de solda para uma profundidade de solda de 1,5mm (BATES et al, 2004). ............................................................................................................ 78
FIGURA 27. Resistncia da solda em funo da presso de solda para uma profundidade de solda de 1,5mm. (A) Solda Longitudinal. (B) Solda Transversal. (BATES et al, 2004).................................................................. 79
FIGURA 28. Metades de esferas (Kondapalli e Sirani, 2000)............................................. 80
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FIGURA 29. Diagrama presso-tempo para um duto de admisso em quatro diferentes velocidades do motor (THOMPSON e ENGLEMAN, 1969)......... 83
FIGURA 30. Etapas do projeto de um coletor de admisso plstico .................................. 83
FIGURA 31. Modelo completo do sistema de admisso, exausto e motor no cdigo GT power (Delphi Automotive Systems). ...................................................... 85
FIGURA 32. Modelo detalhado de um coletor de admisso no cdigo GT power (Delphi Automotive Systems). ....................................................................... 86
FIGURA 33. Comparativo simulao 1D versus resultados em Dinammetro (Delphi Automotive Systems). ................................................................................... 88
FIGURA 34. Definio dos parmetros geomtricos que afetam a sintonia do coletor de admisso, (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ..................................... 91
FIGURA 35. Efeito do comprimento do duto secundrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 92
FIGURA 36. Efeito do comprimento do duto primrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 92
FIGURA 37. Efeito do comprimento do duto na potncia (SODR et al, 2008). ................ 93
FIGURA 38. Efeito do comprimento do duto no torque (SODR et al, 2008)..................... 94
FIGURA 39. Efeito do dimetro do duto secundrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 96
FIGURA 40. Efeito do dimetro do duto primrio na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999). ........................................................... 97
FIGURA 41. Configurao dos dutos: (a) rea da seo transversal constante (b) duto cnico (MARIUCCI, 2007). .................................................................... 98
FIGURA 42. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para TAR = 1.5, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007). ............................. 100
FIGURA 43. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para TAR = 2.0, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007). ............................. 101
FIGURA 44. Efeito na eficincia volumtrica e potncia para diferentes TAR aplicados a 100% do comprimento, quando comparado configurao original (MARIUCCI, 2007).......................................................................... 101
FIGURA 45. Sees do duto: quadrada/retangular, circular ou segmentada, respectivamente (HEISLER, 1995). ............................................................ 102
FIGURA 46. Efeito do volume do plenum na eficincia volumtrica (WINTERBONE e PEARSON, 1999)..................................................................................... 103
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FIGURA 47. Efeito do volume do plenum no torque (HAMILTON e LEE, 2008). ............. 104
FIGURA 48. Efeito do volume do plenum no torque (HAMILTON e LEE, 2008). ............ 105
FIGURA 49. Efeito do volume do plenum na potncia (HAMILTON e LEE, 2008). ......... 106
FIGURA 50. Efeito do volume do plenum na potncia (HAMILTON e LEE, 2008). ......... 107
FIGURA 51. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 0,75m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 109
FIGURA 52. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 1,35m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 110
FIGURA 53. Efeito do raio de 180 no torque para o comprimento de duto de 1,75m (HAMILTON et al, 2009).............................................................................. 110
FIGURA 54. Diferentes curvaturas de duto para um coletor de admisso com as mesmas caractersticas dimensionais: comprimento e dimetro dos dutos e volume do plenum (Delphi Automotive Systems). .......................... 112
FIGURA 55. Resultados experimentais do efeito da curvatura dos dutos no desempenho do motor (Delphi Automotive Systems). ................................ 113
FIGURA 56. Anlise de extrao de ferramenta numa das partes do coletor de admisso (Delphi Automotive Systems)...................................................... 114
FIGURA 57. Anlise de extrao de ferramenta numa das partes do coletor de admisso (Delphi Automotive Systems)...................................................... 115
FIGURA 58. Geometria do sistema plenum-runner genrico (SHAW et al, 2000). .......... 122
FIGURA 59. Efeito do raio de concordncia no campo de velocidades: a) r = 0.0m; b) r = 0.005m c) r = 0.01m (SHAW et al, 2000). ......................................... 123
FIGURA 60. Efeito das protuses e raio de concordncia no campo de velocidades: a) protuso reta; b) protuso com raio de 90 graus c) protuso com raio de 180 graus (SHAW et al, 2000)........................................................ 123
FIGURA 61. a) Coletor de admisso com corpo de borboleta central. b) Volume interno (SAFARI et al, 2003). ...................................................................... 124
FIGURA 62. Vetores de velocidade do escoamento no interior do Plenum (regime permanente duto 1 aberto) (SAFARI et al, 2003). .................................... 125
FIGURA 63. Contornos de presso gerados a partir da anlise CFD (a) Desenho 1 (b) Desenho 2 (Delphi Automotive Systems). ............................................. 127
FIGURA 64. Juno plenum-runner (MARIUCCI et al, 2007)........................................... 128
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FIGURA 65. Eficincia volumtrica e potncia para valores de Ri/D = 0,05 e 0,2 (MARIUCCI et al, 2007). ............................................................................. 129
FIGURA 66. Eficincia volumtrica e potncia para valores de Ri/D = 0,5 e 1,0 (MARIUCCI et al, 2007). ............................................................................. 130
FIGURA 67. Modelo de elementos finitos do Plenum estudado (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 132
FIGURA 68. Detalhe da modificao no desenho da solda. (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 133
FIGURA 69. Ressonador de helmholtz (ENGELMAN, 1973). .......................................... 138
FIGURA 70. Cilindro do motor e duto de admisso modelados como um ressonador de Helmholtz (ENGELMAN, 1973). ............................................................. 139
FIGURA 71. Modelo acstico do coletor de admisso (ENGELMAN, 1973). ................... 140
FIGURA 72. Coletor de admisso com variao no comprimento do duto e volume do plenum (Delphi Application Manual)....................................................... 142
FIGURA 73. Coletor de admisso com variao nos comprimentos dos dutos. (a) Comprimento de duto maior (b) Comprimento de duto menor (BOSCH, 2004). .......................................................................................................... 143
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LISTA DE TABELAS
TABELA 01 Vantagens/Desvantagens dos principais mtodos para fabricao de um coletor de admisso plstico (CHUUBACHI et al, 2002). ........................ 64
TABELA 02 Propriedades dos materiais utilizados no estudo (Bates et al, 2004)........... 77
TABELA 03 Influncia dos parmetros de solda na resistncia da mesma (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). .................................................................. 80
TABELA 04 Configuraes dos testes realizados para diferentes conicidades dos dutos (MARIUCCI, 2007). ............................................................................. 99
TABELA 05 Comparao da vazo volumtrica para diferentes densidades de malha (CAULFIELD et al, 1999).................................................................. 117
TABELA 06 Comparao da vazo volumtrica para diferentes modelos de turbulncia e funes de parede (CAULFIELD et al, 1999). ....................... 118
TABELA 07 Comparao da vazo volumtrica experimental com clculo computacional - 7kPa (Delphi Automotive Systems)................................... 120
TABELA 08 Dimenses da interface plenum-runner (MARIUCCI et al, 2007). ............. 128
TABELA 09 Modificaes de desenho e resultados encontrados (KONDAPALLI e SIRANI, 2000). ............................................................................................ 133
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADM. Adimensional
AVA Abertura da vlvula de admisso
AVE Abertura da vlvula de exausto
CAD Desenho assistido por computador
CFD Dinmica dos fludos computacional
CI Ignio por Compresso
DSI Mtodo de Injeo Deslizante
EGR Re-circulao dos gases de exausto
FVA Fechamento da vlvula de admisso
FVE Fechamento da vlvula de exausto
PA Poliamida
PCV Vapor de leo
PMI Ponto morto inferior
PMS Ponto morto superior
PP Polipropileno
PU Poliuretano
SI Ignio por centelha
SLS Estereolitografia
TAR Proporo das reas do cone
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LISTA DE SMBOLOS
A rea
AC / Razo ar-combustvel Cm Comprimento c Calor especfico
dC Coeficiente de descarga
D Dimetro Di Distribuio
vE Eficincia volumtrica
tE Eficincia trmica do ciclo Otto
F Fora
nF Freqncia natural
grF Frao de gases residuais
f Freqncia
h Entalpia
K Taxa das freqncias m Massa m& Vazo mssica M Peso molecular n Nmero de rotaes do eixo de manivelas para cada processo de potncia
C Nmero de cilindros
Po Potncia P Presso Pe Permetro Q& Taxa de transferncia de calor
cr Razo de compresso
R~
Constante do ar nas condies atmosfricas padro R Raio To Torque T Temperatura V Velocidade
mximoV Cilindro com maior vazo
mnimoV Cilindro com menor vazo
mdioV Valor mdio da vazo entre os cilindros
dV Volume deslocado
Vo Volume
ex Frao de massa evaporada
Densidade Razo dos calores especficos do fluido Coeficiente de resistncia
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SUBSCRITO
a Ar atm Atmosfrica A Depois da evaporao ad Admisso B Antes da evaporao c Combustvel C Cilindro d Deslocado e Escoamento ex Exausto ef Efetivo h Hidrulico i Interface j Componente L Fase lquida m Motor max Mxima n Natural P Pisto Pr Primrio r Ressonncia Se Secundrio S Som V Fase de vapor va Vapor de gua vc Vapor de combustvel 0 Condies atmosfricas externas ao motor 1 Ponto 1
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SUMRIO
1. INTRODUO .............................................................................................................21
1.1 - OBJETIVO ...............................................................................................................22
2. REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................................24
2.1 - MOTORES DE COMBUSTO INTERNA .......................................................................24
2.2 CARACTERSTICAS DO MOTOR DE COMBUSTO INTERNA........................................28
2.2.1 Torque ..........................................................................................................28
2.2.2 Potncia .......................................................................................................29
2.3 EFICINCIA VOLUMTRICA......................................................................................31
2.3.1 O ciclo padro de ar Otto ...........................................................................32
2.3.2 Os processos de admisso e exausto em motores de quatro
tempos .......................................................................................................................37
2.3.3 Variveis que influenciam o rendimento volumtrico ..............................40
2.3.4 Efeitos quase-estticos ..............................................................................41
2.3.4.1 Eficincia volumtrica do ciclo padro ar/combustvel ........................41
2.3.4.2 Efeitos da razo ar/combustvel, fase e composio do
combustvel. ..............................................................................................................43
2.3.4.3 Efeitos da frao do combustvel vaporizado, do calor de
vaporizao e da transferncia de calor. ...............................................................45
2.3.4.4 Efeitos da razo de compresso e a razo da presso de
admisso e exausto. ..............................................................................................46
2.3.5 Efeitos dinmicos e quase-estticos combinados ...................................47
2.3.5.1 Perdas por atrito ......................................................................................48
2.3.5.2 Efeito RAM ...............................................................................................52
2.3.5.3 Fluxo reverso na admisso.....................................................................53
2.3.5.4 Sintonia (Tuning)......................................................................................53
2.3.5.5 Efeitos da velocidade, rea da vlvula e do tempo..............................55
3. SUBSDIOS PARA ORIENTAR O DESENVOLVIMENTO DE
COLETORES DE ADMISSO .......................................................................................59
3.1 COLETOR DE ADMISSO ........................................................................................59
-
3.2 PROCESSO DE SOLDA POR VIBRAO ...................................................................65
3.3 ETAPAS DO PROJETO DE UM COLETOR DE ADMISSO PLSTICO SOLDADO
POR VIBRAO .........................................................................................................81
3.3.1 Simulao 1D ..............................................................................................84
3.3.1.1 Variao no comprimento do duto .........................................................89
3.3.1.2 Variao no dimetro do duto ................................................................95
3.3.1.3 Variao no volume do plenum ............................................................ 102
3.3.2 Construo do Modelo 3D (CAD)............................................................ 108
3.3.3 Processo de injeo ................................................................................. 114
3.3.4 Anlise do fluxo interno no coletor de admisso (CFD)........................ 116
3.3.5 Anlise estrutural ...................................................................................... 131
3.3.6 Prottipo produo. ............................................................................... 134
3.4 CONSIDERAES FINAIS. ..................................................................................... 136
3.4.1 Processo de construo de prottipos SLS e SLA................................ 136
3.4.2 Anlise de rudos. ..................................................................................... 137
3.4.3 Ressonador de Helmholtz....................................................................... 138
3.4.4 Sistemas variveis. ................................................................................... 141
4. CONSIDERAES FINAIS...................................................................................... 144
5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................ 146
-
21
1. INTRODUO
Recentemente, a necessidade de controlar a emisso de poluentes reduzindo
a poluio do ar e a necessidade de melhorar o consumo de combustvel, se
tornaram muito importantes no desenvolvimento de motores de combusto interna.
Os avanos tecnolgicos em novos materiais introduzidos no mercado
permitiram o desenvolvimento de componentes os quais proporcionam reduo de
peso do motor, custo e perdas de calor. Diversos sistemas como comando de
vlvulas varivel, coletor de admisso varivel, injeo direta de combustvel e
estratgias de calibrao tem contribudo significativamente no aumento do
desempenho e reduo do nvel de emisses.
Um bom exemplo o coletor de admisso, que na maioria das aplicaes
atuais fabricado a partir do Nylon com fibra de vidro ao invs de Alumnio,
proporcionando, como por exemplo, reduo de peso, reduo de atrito nos dutos e
geometrias internas complexas. Por outro lado, coletores plsticos apresentam
reduo de integridade estrutural e precisam atender requisitos adicionais como
presso de estouro. Novas tendncias tem surgido na aplicao de novos materiais,
como por exemplo o Polipropileno com fibra de vidro, o qual apresenta uma
densidade aproximadamente 15% menor quando comparada ao Nylon com fibra,
porm com propriedades mecnicas inferiores.
Para atender o requisito de estouro, o projeto do coletor de admisso desde o
material a ser utilizado ao perfil da regio de solda deve ser devidamente estudado.
Os principais parmetros para controle da solda, amplitude e freqncia do
movimento, presso de solda e tempo de solda, tambm precisam ser otimizados
para aumentar a qualidade e resistncia da mesma.
O projeto do coletor de admisso essencial para alcanar o melhor
desempenho de um motor de combusto interna, e, portanto diversos parmetros
devem ser considerados durante o desenvolvimento do mesmo.
Por exemplo, a distribuio do ar no coletor pode ser influenciada pela ordem
do funcionamento dos cilindros e pela maneira como os dutos so conectados no
-
22
plenum. Por outro lado, o escoamento do ar dentro do cilindro depende da presso
no plenum. Alm disso, as variaes de presso no coletor de admisso, devido aos
efeitos pulsantes no escoamento do ar podem substancialmente afetar o
desempenho do motor (BENSLER, 2002).
Dentro do processo de desenvolvimento diversas etapas devem ser seguidas
como simulao do desempenho de um motor de combusto interna para definio
das principais caractersticas do coletor de admisso, construo do modelo
matemtico, otimizao do fluxo interno, anlise estrutural e construo de
prottipos para testes em dinammetro e veculo com o objetivo de confirmar os
resultados analticos encontrados. Por fim, iniciada a construo do ferramental
definitivo para a produo em srie.
O primeiro captulo apresenta o motor de combusto interna e algumas de
suas principais caractersticas: Torque (Momento de Fora), Potncia e Eficincia
Volumtrica, as quais so diretamente influenciadas pelo projeto do coletor de
admisso.
O segundo captulo iniciado com um breve resumo sobre o coletor de
admisso desde definio, funes, evoluo a processos de fabricao de
coletores plsticos. O segundo tpico enfatiza o processo de solda por vibrao, no
qual se baseia este trabalho. Os demais tpicos apresentam as principais etapas de
fabricao de um coletor de admisso plstico soldado por vibrao.
Finalizando o trabalho, consideraes e sugestes para novas pesquisas
foram levantadas.
1.1 - Objetivo
Esta dissertao tem como objetivo elaborar um estudo geral sobre o
desenvolvimento de coletores de admisso de motores de combusto interna,
visando reunir subsdios para orientar o desenvolvimento de coletores de admisso
plstico soldado por vibrao. Sero realizados estudos analticos correlacionando
s caractersticas de desempenho de motores de combusto interna, caracterizadas
-
23
por torque e potncia; com a eficincia volumtrica promovida especialmente pelo
processo de admisso. Sero estudadas as etapas de projeto, materiais e processo
de fabricao dos coletores de plstico soldados. Tambm sero analisados
aplicativos computacionais auxiliares no processo de desenho e simulao de
desempenho dos coletores de admisso.
-
24
2. REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 - Motores de combusto interna
Motores de combusto interna tm como funo converter energia qumica,
provocada pela combusto da mistura ar/combustvel em energia mecnica, que no
caso do automvel, transferida ao eixo atravs do sistema pisto/biela, Figura 1. O
principal alvo de um motor alcanar o mximo de potncia com grande eficincia.
FIGURA 01. Transmisso da fora aplicada no pisto ao eixo do automvel (Department of the Army,
1985).
Os dois principais tipos de motores de combusto interna normalmente
utilizados nas maiorias das aplicaes em transporte (terra, mar e ar), alm de
gerao de energia, so os motores de ignio por centelha (SI) e motores de
ignio por compresso (CI), onde o aumento de temperatura e presso durante a
compresso suficiente para causar ignio espontnea do combustvel (STONE,
1999).
-
25
Durante os sculos 18 e 19 existiram numerosas propostas e patentes de
motores de combusto interna, porm apenas a partir de 1860 que o motor de
combusto interna se tornou uma realidade prtica.
Em 1860, Lenoir desenvolveu o primeiro motor de combusto interna para
uso comercial o qual caracterizado por um nico cilindro horizontal. A mistura
ar/combustvel conduzida para dentro do cilindro durante a primeira metade do
ciclo do pisto. A ignio, obtida eletricamente pela centelha, aumenta a presso na
cmara de combusto, produzindo uma fora que movimenta o cilindro para o
segundo ciclo. Em seguida, os gases de exausto so expelidos enquanto a
combusto ocorre do outro lado do pisto. Foi produzida uma quantidade
aproximada de 5000 motores, os quais apresentavam eficincia mxima de 5%.
Aproximadamente seis anos depois Otto e Langen propuseram um motor que
apresentou 50% de reduo no consumo de combustvel comparado ao motor de
Lenoir, contribuindo significativamente no desenvolvimento de motores de
combusto interna. Seu princpio baseava-se na utilizao do aumento de presso
resultante da combusto de mistura ar/combustvel para movimentar o pisto e
rodas, gerando vcuo dentro do cilindro. Cerca de 5000 motores foram produzidos e
apresentavam eficincia de at 11%.
Para superar a deficincia de peso excessivo e baixa eficincia trmica,
Nicolaus A. Otto props em 1876 o primeiro motor composto por quatro tempos,
como mostra a Figura 2:
Admisso: a vlvula de admisso aberta permitindo entrada da mistura
ar/combustvel;
Compresso: com as vlvulas de admisso e exausto fechadas, a
mistura ar/combustvel comprimida seguida da fasca;
Expanso: a alta presso na cmara provoca uma fora no pisto,
movimentando o eixo de manivelas, e, conseqentemente, o eixo do
automvel; e
Exausto: gases gerados na combusto so expelidos da cmara de
combusto.
-
26
FIGURA 02. Ciclos de operao de um motor de quatro tempos (HEYWOOD, 1988).
A partir disso, diversas concepes de motores e patentes surgiram, como
por exemplo, o motor de dois tempos, introduzido em 1880 pelos engenheiros
Dugald Clerk, James Robson e Karl Benz, onde os processos de admisso e
exausto ocorrem durante o final da combusto e incio da compresso.
Em 1892, o engenheiro Rudolf Diesel, introduziu o conceito de combusto por
compresso que resulta no aumento da temperatura e presso e injeo de
combustvel dentro da cmara de combusto permitindo dobrar a eficincia. Outro
grande avano ocorreu com motor rotacional, introduzido por Felix Wankel em 1957.
O desenvolvimento de novos combustveis tambm contribuiu
significativamente no aumento do desempenho dos motores de combusto interna.
A produo em grande escala de novos combustveis com melhores propriedades
anti-detonao permitiu o crescimento da taxa de compresso, melhorando potncia
e eficincia.
-
27
Recentemente novos fatores tornaram-se importantes afetando diretamente o
desenvolvimento de novos motores, os quais so: a necessidade de controlar a
emisso de poluentes reduzindo a poluio do ar e a necessidade de melhorar o
consumo de combustvel, (HEYWOOD, 1988). Vale salientar que a legislao para
reduo do nvel de emisses de poluentes foi introduzida em 1970.
Diante deste fato, os avanos tecnolgicos em novos materiais introduzidos
no mercado permitiram a reduo de peso do motor, custo e perdas de calor,
resultando em sistemas mais eficientes. Um bom exemplo o coletor de admisso,
que na maioria das aplicaes atuais fabricado a partir do Nylon com fibra de vidro
ao invs de Alumnio. Outros sistemas como comando de vlvulas varivel, coletor
de admisso varivel, injeo direta de combustvel e estratgias de calibrao tem
contribudo significativamente no aumento do desempenho e reduo do nvel de
emisses.
Sandford et al (2009) apresentou em seu trabalho com o ttulo The All New
AJV8 uma evoluo do motor V8 da marca Jaguar, o qual equipa carros desta
marca como tambm da Land Rover, considerando diversas tecnologias listadas a
seguir:
- Injeo direta na cmara de combustvel para melhor controle do mesmo;
- Quatro variadores contnuos do comando para admisso e exausto,
resultando em nveis altos de re-circulao dos gases de exausto devido
ao largo cruzamento de vlvulas em cargas baixas e mdias do motor;
- Variador de abertura das vlvulas de admisso, otimizado para economia
e torque em baixas rotaes;
- Coletor de admisso varivel, o qual apresenta um comprimento menor
para melhor desempenho em altas rotaes e comprimento maior para
baixas rotaes; e
- Sistema de superalimentao, reduzindo a perda de carga na admisso.
-
28
2.2 Caractersticas do motor de combusto interna
No estudo do motor de combusto interna alguns parmetros so utilizados
para caracteriz-lo como Torque, Potncia e Eficincia Volumtrica os quais sero
apresentados a seguir.
2.2.1 Torque
Torque definido como sendo a habilidade do motor na realizao de
trabalho e pode ser representado pela equao (01).
CmFTo = (01)
Onde: To = Torque (N.m) ;
F = Fora (N); e
Cm = Comprimento (m).
Normalmente o motor fixado numa bancada e conectado ao rotor do
dinammetro que por sua vez acoplado ao estator de diferentes maneiras,
eletromagneticamente, hidraulicamente ou por atrito mecnico. Assim, o torque
exercido no estator com o rotor girando medido balanceando o estator com pesos,
molas ou meios pneumticos, como mostra a Figura 3.
-
29
FIGURA 03. Esquema do princpio de operao do dinammetro (HEYWOOD, 1988).
No desenvolvimento de um motor automotivo busca-se uma curva de torque
versus velocidade o mais plano possvel, e alcanar um torque alto para baixas e
altas rotaes (PULKRABEK, 2003).
2.2.2 Potncia
A potncia a taxa na qual o trabalho realizado e pode ser calculada
atravs da equao (02), multiplicando o torque pela velocidade angular:
3102 = ToVPo mpi (02)
Onde: Po = Potncia (kW);
mV = Velocidade do motor (rev/s); e
To = Torque (N.m).
Torque e potncia variam em funo da velocidade do motor, conforme
representado na Figura 04. notado que em baixas rotaes o torque aumenta na
medida em que a velocidade do motor aumenta alcanando um valor mximo, e,
-
30
posteriormente decresce devido deficincia de enchimento do cilindro em altas
rotaes que ocorre em funo das perdas de carga no sistema de admisso.
FIGURA 04. Curva caracterstica de Torque e Potncia (PULKRABEK, 2003).
Alguns fatores tais como aumentar o volume deslocado do cilindro, presso
mdia efetiva e/ou a velocidade melhoram a potncia, porm resultam no aumento
de massa do motor, sendo contrrio tendncia no desenvolvimento de motores
automotivos. Por esta razo, motores de menor cilindrada so equipados com turbo-
alimentadores e super-alimentadores para aumentar a presso mdia efetiva e por
conseqncia o desempenho dos mesmos.
-
31
2.3 Eficincia volumtrica
O desempenho de um motor de combusto interna esta diretamente ligado
quantidade de ar admitida, pois mais combustvel pode ser queimado e
conseqentemente mais energia convertida em potncia.
Em termos ideais, para cada ciclo, a massa de ar admitida deveria ser igual a
densidade do ar atmosfrico vezes o volume deslocado do cilindro. Entretanto,
devido s restries de fluxo impostas pelo sistema de admisso de ar (dutos,
coletor de admisso, vlvula de admisso e filtro de ar) e tempo de ciclo pequeno,
uma menor quantidade de ar realmente admitida no cilindro.
Conforme Pulkrabek (2003), a eficincia volumtrica definida como a razo
entre massa de ar admitida multiplicada pelo nmero de voltas por ciclo, pela massa
de ar ideal vezes a rotao do motor:
mda
av
VVo
nmE
0,
.
= (03)
Onde: vE = Eficincia Volumtrica (adm.)
n = Nmero de rotaes do eixo de manivelas para cada processo de
potncia por cilindro (rev/ciclo) (Por exemplo, para motor de
quatro tempos n = 2 e para motor de dois tempos n = 1);
am& = Vazo mssica de ar admitida (kg/min);
0,a = Densidade do ar nas condies atmosfricas externas ao motor
(kg/m3);
dVo = Volume descolado (m3); e
mV = Velocidade do motor (rpm).
Este parmetro de grande importncia no contexto deste trabalho, pois
diretamente influenciado pelo desenho do coletor de admisso.
-
32
Diversos estudos j foram realizados com o objetivo de verificar o impacto no
projeto de um determinado componente na eficincia volumtrica como, por
exemplo, o trabalho apresentado por Maftouni et al (2006) com o ttulo The effect of
Intake Manifold Runner Length on the Volumetric Efficiency by 3D- CFD Model.
2.3.1 O ciclo padro de ar Otto
Segundo Ferguson e Kirkpatrick (2001) e Moran e Shapiro (2002), o ciclo
padro de ar Otto consiste em quatro processos principais:
- Compresso isentrpica do ar;
- Transferncia de calor a volume constante para o ar, representando a
ignio;
- Expanso isentrpica; e
- Rejeio de calor a volume constante.
Este ciclo considera o ar como um gs ideal com os calores especficos
constantes e tambm trata os processos de compresso e de expanso como
isentrpicos, ou seja, no se consideram os efeitos do atrito nem perdas de calor
(adiabtico).
A Figura 05, extrada de Pulkrabek (2003), mostra o ciclo padro de ar Otto,
representativo de um motor de combusto interna de quatro tempos, normal
aspirado, de ignio por centelha na condio de plena carga.
-
33
FIGURA 05. Ciclo Otto ideal, 6-1-2-3-4-5-6, representativo dos motores de ignio por centelha. (a)
Diagrama de presso versus volume especfico. (b) Diagrama de temperatura versus
entropia (PULKRABEK, 2003).
Inicialmente o pisto encontra-se no Ponto Morto Superior - PMS (ponto 6), a
vlvula de admisso aberta enquanto que a vlvula de exausto fechada. O
processo de 6 a 1 que corresponde ao movimento do pisto do PMS ao Ponto Morto
Inferior - PMI, resultando na admisso de uma carga de ar presso atmosfrica,
denominado curso de admisso.
Segundo Pulkrabek (2003), esta uma boa aproximao do processo de
admisso de um motor real em regime de plena carga, porm na realidade a
presso ser ligeiramente menor que a atmosfrica devido s perdas de carga no
escoamento dos gases na admisso. Durante a admisso, a temperatura do ar no
ponto 1 da ordem de 25 a 35C maior que a temperatura do ar nos arredores.
Ferguson e Kirkpatrick (2001) explicam que isto ocorre devido mistura dos
gases residuais do ciclo anterior com ar fresco admitido. Este mesmo autor relata
que h trs diferentes simulaes de fluxo para o processo de admisso,
-
34
dependendo da razo da presso de admisso e exausto. Primeiramente,
considerando a presso de admisso menor do que a presso de exausto, o motor
denominado acelerado, e h um fluxo a partir do cilindro para a vlvula de
admisso, quando esta se abre. Sendo a presso de admisso maior do que a
presso de exausto o motor considerado superalimentado ou turbo-alimentado, e
o fluxo ocorre a partir da vlvula de admisso para o cilindro at o equilbrio das
presses. Por fim, quando as presses de admisso e exausto so iguais o motor
considerado no acelerado. As equaes de conservao de massa e energia
podem ser utilizadas para determinar o estado da combinao dos gases residuais e
mistura ar-combustvel no ponto 1.
Este desenvolvimento resulta na equao 04 apresentada a seguir, extrada
de Ferguson e Kirkpatrick (2001):
( )
+=
1
1111ex
adexgradgr
P
PTFTFT (04)
Onde: 1T = Temperatura no ponto 1 (K);
grF = Frao de gases residuais (adm.);
exad TT , = Temperaturas de admisso e exausto, respectivamente (K);
exad PP , = Presses de admisso e exausto, respectivamente (kPa);
= Razo dos calores especficos do fluido (adm.)
Considerando, por exemplo, grF =0.05, exad PP / =0.5, = 1.35, adT = 320 K e
exT = 1400K, ento a temperatura no ponto 1 ( 1T ) = 365 K.
Quanto o pisto atinge o PMI, a vlvula de admisso fecha e o eixo continua a
girar fazendo com que o ar admitido seja comprimido pelo cilindro, que corresponde
ao curso de compresso isentrpico, representado pelo processo 1 a 2. Esta uma
boa aproximao da compresso de um motor real, exceto pelo cruzamento de
vlvulas. O incio deste processo afetado pelo fechamento incompleto da vlvula
de admisso aps o PMI. Por sua vez, o fim do ciclo afetado pela centelha antes
-
35
do PMS. Alm do aumento de presso durante este ciclo, h aumento substancial
da temperatura no cilindro.
O processo de 2 a 3 denominado transferncia de calor a volume constante
para o ar, o qual representa a ignio da mistura ar-combustvel de um motor de
combusto real, caracterizado pelo aumento significativo da presso e da
temperatura, que alcanam seus valores mximos. Na combusto de um motor real
este processo inicia-se ligeiramente antes do PMS, alcana velocidade mxima
prximo ao PMS e finalizado um pouco antes do PMS.
Em seguida, o eixo continua a girar devido expanso dos gases, forando o
pisto na direo do PMI, que conseqentemente produz trabalho e potncia para
movimentar o eixo do automvel. Este denominado expanso isentrpica,
representado pelo processo de 3 a 4. Os valores de presso e temperatura no
cilindro diminuem na medida em que este se desloca do PMS para o PMI,
aumentando o volume.
No ciclo de um motor real, prximo ao final do processo de expanso, a
vlvula de exausto aberta e grande quantidade dos gases, resultados da
combusto so expelidos, reduzindo a presso no cilindro presso do coletor de
escape. Grande quantidade da entalpia descartada com os gases de exausto,
limitando a eficincia trmica do motor. No ciclo Otto este processo substitudo
pela reduo da presso a volume constante, processo de 4 a 5, no qual a perda de
entalpia representada pela rejeio de calor.
O ltimo processo caracterstico de um motor de quatro tempos ocorre
quando o pisto movimenta-se do PMI para o PMS, processo 5 a 6, que o ocorre
presso constante de uma atmosfera por causa da vlvula de exausto aberta.
At o final do processo de exausto o motor realizou duas revolues
posicionando novamente o pisto no PMS, com as vlvulas de admisso e exausto
aberta e fechada, respectivamente, para o incio de um novo ciclo.
Ferguson e Kirkpatrick (2001) e Moran e Shapiro (2002) ao descreverem o
ciclo padro de ar Otto no incluem os processos 6-1 e 5-6 na anlise. Isto
justificado, pois termodinamicamente estes processos se cancelam, relata Pulkrabek
(2003).
-
36
Conforme Ferguson e Kirkpatrick (2001), Moran e Shapiro (2002), Pulkrabek
(2003) e Heywood (1988) a eficincia trmica para o ciclo Otto dada pela equao
(05) a seguir:
1
11
=
c
tr
E (05)
Onde: tE = Eficincia trmica (adm.)
cr = Razo de compresso (adm.)
= Razo dos calores especficos do fluido (adm.)
notado que a eficincia trmica depende exclusivamente da razo de
compresso, pois uma constante. Podemos concluir que a eficincia trmica do
ciclo Otto aumenta com o aumento da razo de compresso, como mostra a Figura
06 extrada de Moran e Shapiro (2002), para = 1,4.
FIGURA 06. Eficincia trmica do ciclo Otto para = 1,4 (MORAN e SHAPIRO, 2002).
-
37
Dentro deste contexto, diversos estudos tm sido realizados com o intuito de
desenvolver sistemas que variam a razo de compresso de um motor,
proporcionando um aumento na eficincia trmica. Podemos citar como exemplo os
trabalhos publicados por Moteki et al (2003) e Roberts (2003) com os ttulos A Study
of a Variable Compression Ratio System with Multi-Link Mechanism e Benefits e
Challenges of Variable Compression Ratio (VCR), respectivamente.
2.3.2 Os processos de admisso e exausto em motores de quatro
tempos
O objetivo dos processos de admisso e exausto admitir ar fresco e
remover os gases queimados da combusto respectivamente. Conforme dito
anteriormente, a potncia de um motor de combusto interna em uma dada
velocidade proporcional quantidade de ar admitida. O processo de troca de
gases num motor de quatro tempos caracterizado por parmetros como a
eficincia volumtrica. Tais parmetros so dependentes do projeto dos sub-
componentes que compe os sistemas de admisso e exausto, como o caso do
coletor de admisso e do coletor de descarga.
Conforme Heywood (1988), o sistema de admisso de um motor de ignio
por centelha normalmente composto por filtro de ar, um sistema para formao da
mistura (carburao ou injeo), corpo de borboleta, coletor de admisso e vlvulas.
Por sua vez, o sistema de exausto consiste em um coletor de exausto, dutos,
conversor cataltico e um silenciador.
A Figura 7a mostra os valores mdios das presses de admisso para um
motor multicilindrico. Durante o processo de admisso, alm dos componentes que
restringem o fluxo de ar, fatores como a velocidade do motor, rea da seco
transversal por onde o ar passa e sua densidade geram perda de carga causando
deficincia de enchimento do cilindro.
A Figura 7d ilustra o diagrama de abertura das vlvulas de admisso e
exausto, em funo do ngulo do eixo de manivelas. Usualmente a abertura das
-
38
vlvulas antecipada enquanto que o fechamento postergado, em relao aos
cursos de admisso e exausto correspondentes, para melhorar o esvaziamento e
enchimento do cilindro e tirar proveito da inrcia dos gases nos sistemas de
admisso e exausto.
FIGURA 07. Os processos de admisso e exausto em motores de ignio por centelha de quatro
tempos: (a) valores mdios da presso de admisso; (b) diagramas vlvulas e presso
versus volume; (c) sistema de exausto; (d) presso no cilindro P e levantamento da
vlvula em funo do ngulo no eixo de manivelas. Linhas slidas representam o corpo
de borboleta na condio de plena carga enquanto linhas tracejadas em condies
parciais. Pab e Pdb = Perda de carga antes e depois do corpo de borboletas,
respectivamente (HEYWOOD, 1988).
-
39
O processo de exausto inicia entre 40 a 60 antes de o pisto atingir o PMI
no ciclo de expanso, expelindo os gases queimados para fora do cilindro devido
diferena de presso entre este e o prprio sistema de exausto. A vlvula de
exausto fecha entre 15 a 30 aps o pisto passar pelo PMS, no incio do ciclo de
admisso.
Por sua vez, a vlvula de admisso abre entre 10 a 20 antes de o pisto
atingir o PMS no final do ciclo de exausto. Tipicamente o fechamento da vlvula de
admisso ocorre entre 50 a 70 aps o pisto passar pelo PMI, no incio do ciclo de
compresso, para proporcionar um maior enchimento do cilindro.
No cruzamento de vlvulas, perodo em que as vlvulas de admisso e
exausto permanecem abertas pode ocorrer um retorno dos gases queimados para
dentro do cilindro ou gases deste para o coletor de admisso. Este evento
denominado fluxo reverso ou backflow e ocorre quando a relao entre a presso
de admisso e a presso de descarga menor que um ( 1/
-
40
Tabaczynski (1997) comenta sobre a necessidade de melhorar o torque em
baixas velocidades do motor. Veculos menores geralmente tm propores baixas
de potncia versus peso, s eficincias do motor so melhoradas em baixas
rotaes devido ao menor atrito e dirigibilidade que funo do torque em baixas
velocidades. Estes fatores tm conduzido os projetistas de motores a reconhecerem
a grande importncia na melhoria da eficincia volumtrica para proporcionar melhor
desempenho do motor e economia de combustvel.
Embora sistemas mecnicos, conhecidos como turbo-alimentadores e super-
alimentadores, melhoram o enchimento do cilindro forando a entrada do ar,
algumas desvantagens devem ser consideradas. Primeiramente tais sistemas
aumentam o atrito mecnico do motor e em segundo lugar elevam a temperatura do
ar de entrada do motor aumentando a sensibilidade do motor detonao.
O projeto correto dos sistemas de admisso e exausto pode oferecer
benefcios que visam melhorar o torque em baixas e mdias velocidades do motor
mantendo um taxa de compresso adequada com economia de combustvel num
motor de ignio por centelha.
2.3.3 Variveis que influenciam o rendimento volumtrico
A eficincia volumtrica pode ser afetada pelos seguintes parmetros, ao
considerar o combustvel, projeto do motor e variveis durante operao do mesmo:
- Tipo de combustvel;
- Razo ar/combustvel;
- Frao de combustvel vaporizado no sistema de admisso;
- Calor de vaporizao;
- Temperatura da mistura que influenciada pela transferncia de calor;
- Razo entre as presses de exausto e admisso;
-
41
- Taxa de compresso;
- Velocidade do motor;
- Projeto das interfaces entre cabeote e coletores de admisso e exausto;
e
- Projeto das vlvulas de admisso e exausto incluindo geometria,
tamanho, levantamento e diagrama de distribuio (tempo).
Heywood (1988) destaca que os efeitos da maioria das variveis so de
natureza quase-permanente, isto , seu impacto independente da velocidade e
pode ser descrito em termos da velocidade mdia do motor. Entretanto, alguns
efeitos destas variveis dependem do regime transiente e fenmenos de
propagao de onda que acompanham a natureza da variao temporal dos
processos de troca de gases.
2.3.4 Efeitos quase-estticos
2.3.4.1 Eficincia volumtrica do ciclo padro ar/combustvel
Para o ciclo ideal de um motor de combusto interna por centelha a eficincia
volumtrica por ser representada pela equao (06):
1
0,
0, )1(1
)1(
Vor
r
A
C
Fm
Vo
mE
c
c
a
gr
da
av
+
==
(06)
Sendo m a massa dentro do cilindro no ponto 1 do ciclo:
-
42
11 TM
RmVoPad = (07)
0,0,0, a
a
aa TM
RP = (08)
+
=
)1()(
11
11
ad
exc
gr
ad
P
Pr
F
T
T (09)
Substituindo as equaes (7), (8) e (9) em (6) tm-se
( )
+
+
= 1
)1(
1
11
10,
0,
ad
ex
cc
c
ad
a
a
ad
a
vP
P
rr
r
A
CT
T
P
P
M
ME (10)
Onde: adP e 0,aP = Presso da mistura na admisso e presso nas condies
exteriores (kPa);
adT e 0,aT = Temperatura de admisso e temperatura nas condies
exteriores (K);
AC / = Razo ar/combustvel (kg/kg);
cr = Razo de compresso (adm.);
exP = Presso de exausto (kPa);
M e aM = Peso molecular do fluido de trabalho no ciclo e peso
molecular do ar atmosfrico (adm.);
= Razo dos calores especficos do fluido (adm.);
grF = Frao de gases residuais (adm.);
R~
= Constante do ar nas condies atmosfricas padro (J/kmol);
dVo = Cilindrada do motor (m3); e
1Vo = Volume do cilindro no ponto 1 (m3).
-
43
Para ( adex PP / ) = 1, o termo em {} igual a um.
2.3.4.2 Efeitos da razo ar/combustvel, fase e composio do
combustvel.
Nos motores de ignio por centelha, a presena de combustvel gasoso e
vapor de gua no sistema de admisso reduzem a presso do ar abaixo da presso
de mistura. Para misturas de ar ( a ), vapor de gua ( va ), e gases ou vapor de
combustvel ( vc ), a presso no coletor de admisso dada pela soma das presses
parciais de cada componente:
advaadvcadaad PPPP ,,, ++= (11)
Aplicando a lei dos gases tem-se:
1
,1
+
+=
va
a
a
va
vc
a
a
vc
ad
adar
M
M
m
m
M
M
m
m
P
P
&
&
&
& (12)
O fator de correo do vapor de gua usualmente pequeno ( 0,03). A
Figura 08 mostra a variao da presso do ar no coletor de admisso ( adada PP /, ) em
funo da massa de ar ( avc mm && / ) de diversos combustveis comuns.
-
44
FIGURA 08. Efeito do vapor de combustvel na presso parcial do ar. Proporo de presso do ar na
entrada com a presso da mistura versus taxa de equivalncia para vapor de isooctano,
propano, metano, vapor de metanol e hidrognio (HEYWOOD, 1988).
importante ressaltar que para os combustveis como a gasolina, o efeito
promovido pelo vapor do combustvel pequeno, independente da razo ar-
combustvel. Por outro lado, para os combustveis gasosos e metanol vaporizado, a
eficincia volumtrica reduzida pela presso do combustvel na mistura.
-
45
2.3.4.3 Efeitos da frao do combustvel vaporizado, do calor de
vaporizao e da transferncia de calor.
Para escoamento com presso constante, combustvel vaporizado e
transferncia de calor, a equao da energia em regime permanente pode ser
escrita como:
( )[ ] ( )BLCCaaAVCCeLCCeaa
hmhmQhmxhmxhm ,,,1 &&&&&& ++=++ (13)
Onde: ex = Frao de massa evaporada (adm.);
am& = Vazo mssica de ar admitida (kg/min);
LCh , = Entalpia do combustvel na fase lquida (kJ/kmol);
VCh , = Entalpia do combustvel na fase de vapor (kJ/kmol);
Q& = Taxa de transferncia de calor (kJ);
A = Antes da evaporao; e
B = Depois da evaporao.
Aproximando-se a variao da entalpia especfica h de cada componente da
mistura por TcP , e com a entalpia de vaporizao VCh , - VLh , = VLCh ,, , tm-se:
LCap
LVCe
a
BA
cA
Cc
hA
Cx
m
Q
TT
:,,
,
+
=&
&
(14)
Onde: AC / = Razo ar/combustvel (kg/kg);
apc , = Calor especfico em presso constante (kJ/kg.K); e
LCc , = Calor especfico do combustvel na fase lquida (kJ/kg.K);
-
46
O ltimo termo do denominador por ser desprezado desde que LCc :, seja
aproximadamente 2 apc , .
Se no h transferncia de calor atravs das paredes do coletor e a mistura
ar-combustvel, a temperatura da mistura diminui por efeito da evaporao do
combustvel. Para completa evaporao do iso-octano com = 1.0, AT BT = -19C
enquanto que para o metanol nas mesmas condies, AT BT = -128C. Na prtica,
sempre ocorre troca de calor atravs das paredes do coletor e a mistura, portanto
este processo no adiabtico, e o combustvel no completamente vaporizado
antes de entrar no cilindro. Dados experimentais mostram que o decrscimo na
temperatura do ar que acompanha a vaporizao do combustvel lquido mais
significativo do que a reduo da presso parcial do ar devido ao aumento da
quantidade de combustvel vaporizado: para a mesma taxa de aquecimento, a
eficincia volumtrica com a vaporizao do combustvel aumentada em poucos
pontos percentuais.
O efeito na variao da temperatura, medido na entrada no cilindro dado
pelo fator ( 0,aT , adT ), como mostra a equao (10) da eficincia volumtrica para o
ciclo ideal. Dados experimentais revelam que a dependncia da eficincia
volumtrica com a raiz quadrada da razo da temperatura representa de forma
coerente o comportamento de um motor real.
2.3.4.4 Efeitos da razo de compresso e a razo da presso de
admisso e exausto.
A frao do volume de gs residual retido no cilindro do motor varia em
funo da relao entre a presso de admisso e a presso de exausto ( exP / adP ) e
tambm da razo de compresso ( cr ). A eficincia volumtrica diminui com o
aumento do volume de gases residuais. Estes efeitos na eficincia volumtrica do
ciclo ideal so expressos pelos termos {} da equao (10). Esses efeitos para =
1,3 so mostrados na Figura 09.
-
47
FIGURA 09. Efeito da razo das presses de Admisso e Exausto na eficincia volumtrica do ciclo
ideal (HEYWOOD, 1988).
2.3.5 Efeitos dinmicos e quase-estticos combinados
Foras de atrito, inerciais e presso esto presentes quando o fluxo de gs
atravs de dutos, cmaras, entradas e sadas, vlvulas tratado em regime
transiente. A importncia destas foras depende da velocidade do gs como
tamanho e forma das passagens e suas junes. Durante o desenvolvimento de um
coletor de admisso efeitos quase-permanente e transiente so significantes.
Embora os efeitos da velocidade do motor, projeto dos coletores de admisso
e exausto bem como projeto das vlvulas e passagens estejam interligados, os
-
48
fenmenos que afetam a eficincia volumtrica podem ser identificados
separadamente:
- Perdas por atrito;
- Efeito RAM;
- Escoamento reverso na admisso; e
- Sintonia (Tuning).
2.3.5.1 Perdas por atrito
Durante o curso de admisso, devido ao atrito em cada componente do
sistema de admisso, a presso no cilindro ( CP ), menor que a presso atmosfrica
( atmP ), por uma quantidade dependente da raiz quadrada da velocidade. A queda
total de presso a soma da perda de presso em cada um dos componentes do
sistema de admisso: filtro de ar, carburador e corpo de borboleta, coletor de
admisso, entrada da vlvula e a prpria vlvula. Cada componente tem sua
porcentagem de contribuio, porm a maior queda de presso dada na vlvula de
admisso. Assim, a presso no cilindro durante o perodo no ciclo de admisso
onde o pisto move perto de sua velocidade mxima pode ser 10 a 20 % menor que
a presso atmosfrica. Para cada componente do sistema de admisso, a equao
de Bernoulli dada por:
2
jjj VP = (15)
Onde: j = Coeficiente de resistncia para cada componente e depende de
sua geometria e velocidade local (adm.);
= Densidade do ar (kg/m3);
-
49
jV = Velocidade do fluxo (m/s).
Assumindo um fluxo em regime quase-permanente, a velocidade jV esta
relacionada com a velocidade mdia do pisto pV por:
ppjj AVAV = (16)
Onde: jA e pA corresponde respectivamente, a rea mnima de fluxo no
componente e a rea do pisto. Assim, a perda de presso total em regime quase-
permanente devido ao atrito representada por:
2
22
===
j
PjPjjjCatmA
AVVPPP (17)
A equao apresentada acima mostra a importncia de grandes reas de
fluxo nos componentes visando reduzir as perdas por atrito, como tambm a
dependncia dessas perdas com a velocidade do motor.
Um exemplo das perdas de presso devido ao atrito nos componentes do
sistema de admisso: filtro de ar, carburador, corpo de borboleta e regio do plenum
no coletor de admisso, mostrado na Figura 10.
-
50
FIGURA 10. Perdas de presso no sistema de admisso de um motor de ignio por centelha em
regime permanente (HEYWOOD, 1988).
Testes realizados em regime permanente envolvendo toda a faixa de
velocidade do motor mostram que a perda de presso depende do quadrado da
velocidade.
Por outro lado, as perdas de presso no sistema de exausto so maiores
devido s restries causadas pela vlvula e coletor de exausto, aonde os nveis
de presso so maiores que a presso atmosfrica.
A queda de presso no coletor de exausto em funo do coletor de
admisso (que varia inversamente com a carga) e velocidade do motor ilustrada
-
51
na Figura 11. Em altas velocidades e cargas, a presso no coletor de exausto
maior que a presso atmosfrica.
FIGURA 11. Presso no coletor de exausto em funo da carga e velocidade de um motor de
ignio por centelha (HEYWOOD, 1988).
-
52
2.3.5.2 Efeito RAM
Winterbone e Pearson (1999), Heywood (1988) e Bosch (2004) relatam que
durante o ciclo de admisso em cada cilindro a presso no coletor de admisso varia
devido s diferentes velocidades do pisto, variao da rea de abertura da vlvula
de admisso e efeitos transientes no escoamento dos gases resultados destas
variaes de geometria.
A massa de ar admitida no cilindro, que por sua vez proporcional
eficincia volumtrica, totalmente determinada pelo nvel de presso na rea de
passagem do escoamento na vlvula de admisso, durante um curto perodo de
tempo antes do fechamento desta.
Diversos mtodos so empregados no projeto do coletor de admisso visando
forar uma maior quantidade de ar para dentro do cilindro, resultando no aumento da
eficincia volumtrica.
Possivelmente, um mtodo mais comumente utilizado, conforme menciona
Brands (1979), o emprego do efeito RAM (processo de admisso forado) o qual
opera segundo o princpio de Tubo de rgo (conhecido em ingls como organ
pipe).
Em altas velocidades, quando a vlvula de admisso est fechando, a inrcia
do gs no sistema de admisso aumenta a presso na rea de passagem do
escoamento por ela, continuando a encher o cilindro mesmo aps o pisto atingir o
PMI e iniciar o ciclo de compresso. Este efeito aumenta com o crescimento da
velocidade do motor. Normalmente a vlvula de admisso totalmente fechada
entre 40 a 60 aps o pisto atingir o PMI, para melhor aproveitamento do
fenmeno RAM.
-
53
2.3.5.3 Fluxo reverso na admisso
Normalmente, com o fechamento da vlvula de admisso aps o incio do
ciclo de compresso, pode ocorrer um fluxo reverso de carga fresca para dentro do
coletor de admisso devido ao crescimento da presso no cilindro que causado
pelo movimento do pisto durante a fase final do ciclo de admisso.
Este fenmeno tem maior possibilidade de ocorrer em baixas velocidades do
motor, mas tambm uma conseqncia inevitvel do tempo de fechamento da
vlvula de admisso para aproveitar o efeito RAM em altas velocidades.
2.3.5.4 Sintonia (Tuning)
Winterbone e Pearson (1999), Heywood (1988) e Bosch (2004) destacam que
o escoamento pulsante de cada processo de exausto em cada cilindro, gera ondas
de presso em todo o sistema de exausto. Estas ondas de presso propagam-se,
na velocidade do som, em relao movimentao dos gases de exausto. A
interao destas ondas de presso com o coletor e dutos de exausto causa ondas
de presso que so refletidas para o cilindro do motor. Em motores com diversos
cilindros, as ondas de presso de cada cilindro, transmitidas e refletidas atravs do
sistema de exausto podem interagir com cada cilindro, melhorando ou inibindo o
processo de enchimento do prximo ciclo. Quando estas ondas auxiliam o processo
de exausto, devido reduo das presses depois da vlvula de exausto, o
sistema de exausto denominado sintonizado (conhecido em ingls como
tuning).
Da mesma forma, as variaes no tempo do escoamento no cilindro bem
como a abertura e fechamento da vlvula de admisso, causam ondas de expanso
que so propagadas no coletor de admisso. Estas ondas de expanso podem ser
refletidas para o plenum do coletor de admisso causando ondas de presso
positivas na direo do cilindro. Sintonizando corretamente o tempo destas ondas, a
-
54
onda presso positiva ir promover um aumento de presso na vlvula de admisso
no final do ciclo de admisso, causando um aumento no enchimento do cilindro.
Assim, o sistema de admisso chamado de sintonizado.
Diversos estudos podem ser encontrados na literatura com, por exemplo, os
trabalhos apresentados por Thompson e Engelman (1969) e Engelman (1973) com
os ttulos The Two Types of Resonance in Intake Tuning e Design of a Tuned Intake
Manifold, respectivamente.
A Figura 12 mostra exemplos, em plena carga, da variao de presso na
admisso e exausto de um motor de combusto interna de quatro cilindros com
ignio por centelha. interessante notar a complexidade deste fenmeno, onde a
amplitude das flutuaes de presso aumenta significativamente com o aumento da
velocidade do motor.
FIGURA 12. Presso instantnea no coletor de admisso e exausto de um motor de ignio por
centelha (HEYWOOD, 1988).
-
55
2.3.5.5 Efeitos da velocidade, rea da vlvula e do tempo.
Os efeitos do escoamento na eficincia volumtrica dependem da velocidade
da mistura no coletor de admisso, da rea entrada da vlvula e da vlvula
propriamente dita. As velocidades locais, para regime permanente, so iguais s
vazes volumtricas divididas pela rea da seo transversal local. Desde que as
dimenses do sistema de admisso e dimenses da vlvula esto numa escala
aproximada com o dimetro do cilindro, as velocidades no sistema de admisso so
proporcionais s velocidades do pisto, (HEYWOOD, 1988).
Portanto, as eficincias volumtricas em funo da velocidade, para
diferentes motores, podem ser comparadas nas mesmas velocidades mdia do
pisto.
A Figura 13 mostra uma curva tpica da eficincia volumtrica pela velocidade
mdia do pisto para um motor diesel de quatro cilindros com injeo direta e um
motor seis cilindro de ignio por centelha. possvel notar que a eficincia
volumtrica dos motores de ignio por centelha normalmente so inferiores aos
motores diesel devido s perdas de carga no carburador e corpo de borboleta,
aquecimento do coletor de admisso, presena de vapor de combustvel e uma
maior frao de gases residuais no coletor de admisso. O efeito tuning no sistema
de admisso por ser observado na curva da eficincia volumtrica do motor diesel
que apresenta dois picos.
-
56
FIGURA 13. Eficincia volumtrica pela velocidade mdia do pisto de um motor Diesel e um motor
de ignio por centelha (HEYWOOD, 1988).
Os efeitos na eficincia volumtrica de cada um dos diferentes fenmenos
descritos anteriormente em funo da velocidade do motor podem ser observados
na Figura 14.
-
57
FIGURA 14. Efeitos de diferentes fenmenos do escoamento do ar na eficincia volumtrica do
motor em funo da velocidade (HEYWOOD, 1988).
Os efeitos independentes da velocidade como, por exemplo, a presso do
vapor de combustvel reduz a eficincia volumtrica a menos de 100%, (curva A).
Em seguida, a queda da curva A para a B conseqncia das trocas de calor que
ocorrem no coletor de admisso e cilindro. Este efeito maior em baixas
velocidades do motor, pois o tempo de residncia do gs maior. As perdas de
carga devido ao atrito aumentam com o quadrado da velocidade, e so
representadas pela queda da curva B para a C. Em altas velocidades, o escoamento
para o cilindro durante o ltimo estgio do processo de admisso estrangulado
devido ao fechamento da vlvula de admisso. Quando isto ocorre, a eficincia
volumtrica diminui com o aumento da velocidade do motor, representada pelas
curvas C e D. Em altas velocidades, o efeito RAM aumenta a curva D para E. Por
outro lado, o atraso no fechamento da vlvula de admisso, que permite aumentar o
enchimento do cilindro em altas velocidades, promove um decrscimo na eficincia
volumtrica em baixas velocidades do motor devido ao fluxo reverso, conhecido
-
58
como backflow, representado pelas curvas C, D e F. Por fim, ao utilizar o efeito
tuning na admisso e/ou exausto pode-se aumentar substancialmente a eficincia
volumtrica numa determinada faixa de velocidade do motor, que mostrado nas
curvas F e G.
-
59
3. SUBSDIOS PARA ORIENTAR O DESENVOLVIMENTO DE
COLETORES DE ADMISSO
3.1 Coletor de Admisso
Como dito anteriormente, o projeto e otimizao dos componentes que
compe o sistema de admisso fundamental para melhorar o desempenho dos
motores de combusto interna.
O coletor de admisso a parte do sistema de admisso que conecta a
tubulao de entrada do ar com o cabeote, e consiste em dutos, os quais so
normalmente denominados runners, conectados a um volume chamado de
plenum, conforme mostra a Figura 15.
FIGURA 15. Coletor de admisso: Dutos e Plenum (Delphi Automotive Systems).
As funes de um coletor de admisso so:
- Atender s restries de espao no compartimento do motor;
- Maximizar as caractersticas de desempenho do motor (Torque e
Potncia);
Plenum
Dutos (Runners)
-
60
- Prover dispositivos internos para melhorar o desempenho do motor como
tambm o nvel de emisses;
- Atenuar rudos do sistema de admisso;
- Distribuir ar uniformemente para cada cilindro;
- Distribuir vapores de leo, vapores de combustvel, gases de exausto
reaproveitados pela vlvula EGR (Re-circulao dos gases de exausto) e
lquidos uniformemente para cada cilindro;
- Garantir vedao de todas as interfaces com a atmosfera;
- Prover vcuo para acionamento de outros dispositivos como, por exemplo,
sistema de freio; e
- Resistir estruturalmente e funcionalmente s presses e vibraes.
Heisler (1995), ainda destaca outros pontos importantes:
- Garantir dutos com mesmo comprimento;
- Um dimetro mnimo possvel desejvel para garantir uma adequada
velocidade do ar em baixar velocidades do motor sem prejudicar a
eficincia volumtrica para altas velocidades; e
- Garantir o mnimo possvel de restrio ao fluxo devido ao acabamento
interno;
Durante os ltimos anos houve uma grande evoluo em seu processo de
desenvolvimento visando maximizar o desempenho do motor, atender leis
governamentais de emisses de poluentes e por fim garantir preos competitivos no
mercado e melhor durabilidade.
Atualmente com o avano tecnolgico na rea de polmeros, possvel
fabricar um coletor de admisso utilizando Nylon com fibra de vidro ao invs de
Alumnio, obtendo diversas vantagens listadas a seguir:
-
61
- Reduo de peso;
- Reduo do atrito nos dutos;
- Melhoria no processo de fabricao;
- Reduo da variao dimensional;
- Reduo do custo de fabricao;
- Possibilita geometrias internas complexas;
- Baixa condutividade trmica, a qual melhora a potncia do motor e reduz
problemas de vapor na injeo;
- Possibilita desenvolvimento de sistemas variveis; e
- Melhora a resistncia corroso.
Entretanto, tm-se algumas desvantagens envolvidas neste novo conceito:
- Reduo da integridade estrutural;
- Aumento da transmisso de rudo;
- Processo no vivel para pequenos volumes devido ao alto
investimento;
- Necessita atender requisitos adicionais como presso de estouro;
- Necessita processos adicionais para montagem de insertos e outros
componentes; e
- Processo de solda gera rebarbas e degraus que so obstculos ao fluxo
de ar.
Alm de sua geometria bsica, o coletor de admisso pode integrar diversos
componentes/sistemas:
-
62
- Corpo de borboleta;
- Galeria de combustvel e injetores;
- Sensor de temperatura e presso;
- Bobina de ignio;
- Vlvula de purga;
- Vlvula EGR;
- Sistemas de partida a frio; e
- Conexo de tomada de vcuo para utilizao em outros sistemas do
veculo como acionamento do freio.
Regulamentaes mais rgidas de emisses foraram a indstria automotiva a
desenvolver motores e sistemas a fim de re-aproveitar poluentes no queimados.
Com isso, o coletor de admisso passou a integrar diversas conexes para re-utilizar
os seguintes fludos constituintes:
- Vapores de leo do Carter (PCV);
- Vapores do tanque de combustvel; e
- Re-circulao dos gases de exausto (EGR).
Diversos mtodos de fabricao de coletores de admisso podem ser
encontrados na literatura, sendo os principais: Ncleo Perdido (Lost Core), Injeo
deslizante (DSI) e Injeo de partes separadas seguida de solda por vibrao.
O mtodo conhecido como Ncleo Perdido baseia-se na construo do
volume interno da pea (Ncleo), a partir de uma liga de metal com baixo ponto de
fuso, que posteriormente colocado numa mquina que realiza a injeo do
plstico formando uma casca sobre este volume interno. Na seqncia, o Ncleo
-
63
derretido e removido, restando apenas o produto injetado. As desvantagens deste
processo resumem no alto custo de investimento e toxicidade da liga de metal.
Chuubachi et al (2002), estudou o mtodo DSI na fabricao de um coletor de
admisso composto por trs partes. As principais razes que levaram o autor a esta
escolha foram alto custo de investimento do mtodo Lost Core e dificuldades para
fabricao do coletor com partes injetadas soldadas por vibrao, devido
restries na diviso das partes que impossibilitaram a realizao da solda.
O mtodo DSI consiste num processo de injeo integrado utilizando um
ferramental de injeo comum. Primeiramente, as trs partes so injetadas
separadamente e alinhadas dentro do mesmo ferramental. Em seguida, mecanismos
deslocam as partes para unio atravs da sobre-injeo. A construo do
ferramental complexa, pois se faz necessrios dispositivos para movimentar as
partes automaticamente, e deve atender aos requisitos de produtividade e
manuteno.
O terceiro processo difundido mundialmente, e utilizado em grande parte dos
coletores fabricados no Brasil baseia-se na injeo das partes separadamente e
unio das mesmas atravs de solda vibracional.
Este processo, o qual ser apresentado em detalhes no prximo tpico,
caracteriza-se pela aplicao de uma presso em duas partes, sendo que uma
destas vibrada numa determinada freqncia. A energia dissipada pelo atrito e
tenso de cisalhamento viscosa realiza a fuso do polmero na regio da solda.
A Tabela 1 a seguir, extrada de Chuubachi et al (2002), compara as
desvantagens e vantagens dos trs processos apresentados acima.
-
64
TABELA 01 Vantagens/Desvantagens dos principais mtodos para fabricao de um coletor de
admisso plstico (CHUUBACHI et al, 2002).
Outros processos de fabricao de coletores plsticos so mencionados por
Mukawa, et al (1996), como:
- Mtodo do Core rotativo;
- Mtodo de moldagem por sopro;
- Mtodo combinado: moldagem por sopro e injeo parcial; e
- Mtodo combinado: moldagem por sopro e injeo.
Recentemente outro mtodo foi apresentado por Hickman e Schumacker
(2005), em seu trabalho, com o ttulo Polyamide Intake Manifold Shell Bonding, que
consiste na aplicao de um adesivo para colagem das partes que compe o coletor
de admisso.
DSISolda por vibrao
Lost core
Liberdade da forma do coletor
B-Ex R Ex
Preciso dimensional B B B
Resistncia da solda B B Ex
Investimento em instalaes e mquinas
B-Ex B R
Custo do ferramental R Ex BCiclo do processo de moldagem
R-B Ex B
Operaes ps-moldagem
BB
(solda)
R(remoo do
"core")
(Ex = Excelente ; B = Bom ; R = Regular)
Requisitos de desempenho
Requisitos de custo
Itens de avaliao
-
65
3.2 Processo de Solda por Vibrao
O processo de solda por vibrao caracterizado pela fuso de duas partes
atravs do calor gerado pelo atrito na interface das mesmas (Designing of Plastics,
2010; Plastics Design Library, 1997; Harper, 2004).
Existem dois tipos de solda por vibrao: linear, mais comumente usado, no
qual o atrito gerado pelo movimento linear (para frente e para trs) e axial/orbital, o
qual consiste na vibrao da parte superior atravs de um movimento circular em
todas as direes, permitindo a solda de peas plsticas com formas irregulares.
Na solda por vibrao linear, as superfcies das partes a serem fundidas so
movimentadas umas contra as outras num movimento linear oscilatrio sob a ao
definida de uma presso aplicada num ngulo de 90 graus do sentido de vibrao.
O processo de solda por vibrao consiste em quatro fases, sendo que na
primeira fase, o calor gerado pelo atrito eleva a temperatura na rea da interface
entre as duas partes at a temperatura de transio vtrea nos termoplsticos ou o
ponto de fuso cristalino dos plsticos semicristalinos. Na segunda fase, o material
na interface comea a derreter fluindo lateralmente aumentado a penetrao da
solda. O calor gerado dissipado no polmero fundido. Na terceira fase, a fuso e o
escoamento alcanam o regime permanente, provocando um aumento linear da
penetrao da solda em funo do tempo. No final desta fase o movimento de
vibrao interrompido e durante a quarta fase h um leve aumento na penetrao
da solda na medida em que a pelcula fundida, sobre presso, solidificada. A
Figura 16 apresenta uma curva representativa da penetrao versus o tempo para
as quatro fases do processo de solda (Plastics Design Library, 1997).
-
66
FIGURA 16. Curva de penetrao versus tempo representativa das quatro fases do processo de
solda por vibrao. Fase I: Atrito do material slido. Fase II: Formao em regime no-
permanente da pelcula fundida. Fase III: Formao em regime permanente da pelcula
fundida. Fase IV: fase de resfriamento ou solidificao sobre presso, aps movimento
de vibrao cessado (Plastics Design Library, 1997).
As Figuras 17 e 18 mostram equipamentos e dispositivos tpicos de solda por
vibrao de coletores de admisso, respectivamente.
FIGURA 17. Equipamento de solda vibracional linear (BRANSON).
-
67
(a)
(b)
-
68
(c)
FIGURA 18. Dispositivo de solda. (A) Dispositivo montado. (B) Parte inferior. (C) Parte superior,
(Delphi Automotive Systems).
Os principais parmetros para controle da solda so amplitude e freqncia
do movimento, presso de solda e tempo de solda.
Normalmente, o tempo de solda est entre 1 a 10 segundos (tipicamente de 1
a 3 segundos), enquanto que o tempo de solidificao, aps o movimento
-
69
interrompido, varia entre 0.5 a 1.0 segundos, resultando num ciclo total de 6 a 15
segundos.
A maioria dos autores relatam que as freqncias tpicas de solda esto entre
120 a 240 Hz e a amplitude normalmente menor que 5mm. Para produzir uma
solda efetiva, baixas amplitudes (0.7mm a 1.8mm) so utilizadas com altas
freqncias (240 Hz), e altas amplitudes (2mm a 4mm) so utilizadas com baixas
freqncias (100 Hz).
A amplitude e freqncia dependem da geometria das peas a serem
soldadas e devem ser definidas a fim de alcanar a fora mxima de atrito.
Geralmente, altas freqncias so utilizadas quando o espao disponvel
entre as partes restrito, menor que 1.5mm, ou quando as rebarbas so
indesejveis. Para peas suscetveis a flexo, baixas freqncias com maiores
amplitudes so utilizadas, pois inibem este movimento da pea, e ento a solda
pode ser obtida.
Um valor mnimo de amplitude 0.5mm utilizado ao soldar termoplsticos de
alta temperatura a fim de aumentar a componente viscoplstica da deformao. O
comportamento da deformao no plstico importante na converso de energia
mecnica em calor durante a fase II. Apenas a componente viscoplstica da energia
de atrito convertida em calor de forma irreversvel, enquanto que a componente
elstica da energia de deformao reversvel. Em altas amplitudes a componente
viscoplstica da deformao proporcionalmente maior, aumentando o calor na
interface de solda (Plastics Design Library, 1997).
A presso de solda pode variar de 0.5 a 20 MPa, porm normalmente
apresenta valores prximos ao valor mnimo. O tempo de solda por ser reduzido com
o aumento da presso, entretanto, baixas presses proporcionam melhor resistncia
da solda. A resistncia da solda geralmente no suscetvel s variaes de
freqncia e amplitude de vibrao.
Alta resistncia mecnica pode ser obtida em curtos perodos de tempo
atravs do decrscimo da presso durante o ciclo da solda. Usualmente os
equipamentos de solda vibracional so projetados para permitir a variao da
presso durante o ciclo da solda resultando na melhoria da qualidade da solda e
tempos de ciclo reduzidos. A Figura 19 apresenta um esquema otimizado da
-
70
presso em funo do tempo. Para alcanar a fase III num tempo curto, uma maior
presso requerida, a qual pode ser reduzida nas demais fases proporcionando
uma melhor resistncia da solda. O valor da baixa presso neste processo depende
do material a ser soldado.
FIGURA 19. Esquema otimizado do perfil de presso para obteno de alta resistncia de solda em
curtos perodos de tempo. Uma presso inicial alta, p1, diminuda na fase III. A baixa
frequncia mantida no perodo de resfriamento (Plastics Design Library, 199