ANÁLISES DAS PRESSÕES ATUANTES E VAZÃO MÁSSICA DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA COM O COMANDO DE VÁLVULAS EM DIFERENTES CALIBRAÇÕES DE SINCRONISMO

Neste estudo iremos mostrar o comportamento das pressões e vazões de ar no motor, alterando o ângulo do comando de válvulas. Com este estudo podemos ter a percepção do comportamento do motor em condições de motores fora de sincronismo.

Motor de teste experimental Chevrolet

       Para a elaboração dos testes experimentais, foi utilizado um motor Chevrolet Celta de 1000 cm³, 8 válvulas, 4 cilindros em linha a gasolina ano 2001, motor montado em bancada MOCAP. O cabeçote do motor possui apenas um comando de válvulas, uma válvula de admissão por cilindro e uma válvula de escape por cilindro, com acionamento por correia dentada e tuchos hidráulicos. A polia do comando de válvulas possui liberdade de deslocamento, podendo assim alterar o ângulo de sobreposição de válvulas, este deslocamento é realizado de forma mecânica. O motor possui o sincronismo do pistão 1 e 4 em PMS com a polia dentada do sensor de rotação no dente número 20.  A polia do sensor de rotação possui 60-2 dentes, a engrenagem do comando de válvulas possui 38 dentes, e a engrenagem do virabrequim possui 19 dentes. A polia 60-2 é anexada de forma concêntrica com a engrenagem de 19 dentes do eixo virabrequim. Fig.1

Ficha técnica do Motor

·       Motor aspirado 4 cilindros ciclo otto, Família 1 GM;

·       Motor transversal;

·       Moto OHC – um comando de válvula;

·       Cilindrada 1000 cm³;

·       Duas válvulas por cilindro;

·       Razão de compressão 9,4:1;

·       Peso/Potência 13,90 Kg/cv;

·       Peso/Torque 100/5 Kg/Kgfm;

·       Injeção multiponto, banco a banco;

·       Correia dentada;

·       Potência máxima 60 CV a 6000 RPM;

·       Torque máximo 8,3 Kgfm a 3000 RPM;

·       Diâmetro do cilindro 71 mm;

·       Curso do pistão 62,9 mm;

·       Diâmetro da cabeça da válvula de admissão 32,95 mm;

·       Comprimento da haste da válvula de admissão 104,6 mm;

·       Ângulo da válvula de admissão 45°;

·       Diâmetro da cabeça da válvula de escape 28,95 mm;

·       Comprimento da haste da válvula de escape 104,6 mm;

·       Ângulo da válvula de escape 45°;

·       Polia do sensor de rotação 60-2 dentes;

·       Engrenagem do eixo virabrequim 19 dentes;

·       Engrenagem do comando de válvulas 38 dentes.

Equipamentos de medição e instrumentação

          Para realizar o estudo no motor aspirado, foram utilizados equipamentos como osciloscópio picoscope 4225 automotivo de dois canais, transdutores de pressão JM29, transdutor de pulsos, pinça de ignição indutiva, transdutor de vazão mássica, scanner Tech 2 GM, relógios comparadores, relógio de grau digital e polia variável.

Osciloscópio Picoscope 4225

       Para aquisição de dados do motor, como pressão, vazão mássica, ignição, foi utilizado o osciloscópio piscoscope automotivo 4225 de 2 canais. Fig.2

·       2 Canais de entrada conexão BNC;

·       Resolução 12 Bits e 400 MS/s;

·       Largura de banda: 20 MHz;

·       Memoria: 250 Ms.

Transdutor de vazão de ar

       A medição da vazão mássica de ar foi utilizada um Transdutor de vazão de ar, medidor de fluxo por unidade de tempo. Fig.3

·       Faixa de medição: 100 g/s;

·       Tensão alimentação: 12 Volts;

·       Tensão saída: 5 Volts.

Transdutor de pressão JM29

       Para a medição de pressão do coletor de admissão, do cilindro do motor e dos gases de escape, foi utilizado três transdutores de pressão. Conforme, figura, temos o transdutor (A) aplicado antes do corpo de borboleta, o transdutor (B) aplicado no coletor de admissão no local da conexão do hidrovácuo, e o transdutor (C) aplicado no local das velas de ignição. Fig.4

·       Pressão máxima: 20 Bar;

·       Tensão alimentação: 12 Volts;

·       Tensão saída: 5 Volts;

·       Tempo de resposta: 1 ms.

·       Mangueira de alta pressão 150 mm com diâmetro interno de 5 mm

·       Sextavado de 100 mm com diâmetro interno de 5 mm

·       Cabo de alimentação BNC MIKE 2 vias com 2 metros

Transdutor de pulsos piezoelétrico AC    

       Para verificação do comportamento da propagação de ondas de pressão e rarefação no interior do coletor de admissão, foi utilizado um transdutor de pulsos piezoelétrico. Fig.5

Scanner genuíno GM Tech 2

          Para aquisição de dados como temperatura do ar, temperatura de água, rotação, avanço de ignição, pressão absoluta MAP, tempo de injeção, foi utilizado um Scanner Tech 2 da General Motors. Fig.6

Relógio comparador e Medidor ângulo

Com objetivo de verificar o momento de abertura e fechamentos das válvulas de admissão e escape, foi utilizado dois relógios comparadores, sendo um posicionado sobre a válvula e outro no orifício da vela de ignição para verificação do PMS, também em sincronia com os relógios comparadores, foi utilizado um medidor de ângulo digital aplicado no eixo comando de válvulas. Fig.7

Polia do comando variável

          Para efeito de estudo, foi utilizado uma polia do comando de válvulas com liberdade de defasagem de 18° para direita e 18° para esquerda baseado no ângulo do virabrequim, podendo deslocar o comando retirando o do ponto original de fábrica, assim com intuído de observar as mudanças de comportamento do ar atrasando ou adiantado o eixo do comando de válvulas em relação ao PMS do virabrequim. Fig.8 e Fig.9

Resultados

Sincronismo do motor e Pressões atuantes

          Foi mensurado o comportamento da dinâmica do ar com o transdutor de pressão aplicado no cilindro do motor sem o efeito da combustão no cilindro em análise, bem como foi verificado o sincronismo do motor em relação a engrenagem de rotação através do sinal do sensor indutivo CKP. Nos testes foram realizados ensaios com o motor no ponto e fora de ponto e coletados dados como pressão de compressão, admissão, escape, vazão mássica e avanço de ignição, deslocando apenas a engrenagem de rotação 60-2.

          Também foi analisado as pressões atuantes do motor deslocando o ângulo do comando de válvulas para a direita e para a esquerda, adiantando e atrasando, coletando dados de pressões e vazão mássica em regimes de 950 RPM, 2000 RPM, 3000 RPM, 4000 RPM e 5000 RPM.

Sincronismo com Transdutor Pressão e Sensor de rotação CKP

          Com o transdutor de pressão aplicado no 4° cilindro, através da pressão máxima de compressão do cilindro em análise temos a posição do PMS do 4° cilindro, e juntamente com o 4° cilindro temos o 1° cilindro em PMS, logo ambos são gêmeos. Os cilindros gêmeos 2 e 3 em relação a posição do 1 e 4 , se encontram em PMI, cada um em sua respectiva fase. O motor em teste GM Celta 1.0 ano 2001, de acordo com a fabricante, quando o pistão 1 e 4 se encontram em PMS o dente da engrenagem do sensor de rotação 60-2 deve estar posicionado em relação ao PMS do pistão, no dente número 20. Os testes a serem realizados de sincronismo do motor e avanço de ignição, serão em regime de marcha lenta á 950 RPM, a temperatura operacional do motor em 90 °C.

Sincronismo do motor no ponto dente 20

          Conforme o gráfico, temos o sinal em azul do transdutor de pressão em relação ao sensor de rotação indutivo, podemos verificar o pico de pressão máxima do 4° cilindro sincronizado com o dente número 20 da engrenagem de rotação 60-2, através do sensor de rotação CKP, sinal em vermelho. Fig.10

Avanço de ignição com motor no ponto dente 20

          Com uma garra de secundário indutiva podemos verificar com o osciloscópio o momento de disparo de ignição em relação a forma de onda do transdutor de pressão para um motor em sincronismo no dente número 20, em regime de marcha lenta. No gráfico, temos em azul o sinal de secundário de ignição a 8° graus antes do PMS do cilindro em análise, representado em vermelho pelo sinal do transdutor de pressão. Fig.11

4.5 Sincronismo do motor fora de ponto dente 25

          Para efeito de análise e comprovação, a engrenagem de rotação 60-2 do eixo virabrequim foi defasada em 5 dentes, ou seja, em 30° graus. Conforme o gráfico, podemos conferir o pico de pressão do transdutor de pressão cruzando com o dente 25 da polia do sensor de rotação, comprovando a alteração do dente da engrenagem. Fig.12

Avanço de ignição com motor fora de ponto dente 25

          Com o motor defasado em 5 dentes, correspondendo em 30° graus de defasagem, podemos observar no gráfico, que o disparo de ignição altera o momento de centelha com a mudança angular da engrenagem de rotação para o mesmo regime de rotação do motor, atuando em 27° graus antes do PMS. Fig.13

Medição das pressões com a engrenagem no dente 20 e 25         

          Mensurando as medições das pressões de compressão, pressão de admissão, e pressões de escape, verificamos conforme tabela , que a defasagem da engrenagem de rotação em relação ao pistão, pouco influenciou na pressão de escoamento do ar para dentro cilindro. Porém alterou-se o avanço de ignição, visto que a ECU  utiliza a informação da engrenagem 60-2, para determinar o ângulo do virabrequim, e com o deslocamento da engrenagem alterou-se o avanço de ignição. Fig.14

Medição das pressões atuantes do motor e vazão mássica

          Com o transdutor de pressão aplicado no 4° cilindro do motor sem o efeito da combustão, ocorrendo ignição apenas nos cilindros 1,2 e 3 junto com o sensor MAF Bosch, mensuramos a pressão de compressão, admissão, escape e a vazão mássica em regimes de rotações do motor em 950 RPM, 2000 RPM, 3000 RPM, 4000 RPM, 5000 RPM. Na análise em questão coletamos dados do motor com o sincronismo do eixo comando de válvulas e virabrequim no ponto correto de acordo com os padrões da montadora General Motors. Para efeito de análises do comportamento das pressões, também foram coletados dados do motor, deslocando o eixo comando de válvulas   para direita em máximo de 18° graus e para esquerda em máximo de 18° graus, ou seja, adiantando o comando e atrasando o mesmo, assim retirando o do ponto de sincronismo em relação ao virabrequim. Nos testes realizados o motor foi atrasado em 12° e 18°, e adiantado em 12° e 18°. Para todas as configurações de defasagem do comando, foi aplicado o mesmo método de teste, acelerando o motor até 5000 RPM sem interrupção. Como podemos verificar nos gráficos da figura 31, temos em vermelho o sinal do transdutor de pressão e em azul o sinal do sensor MAF. No gráfico o motor inicia em regime de marcha lenta em 950 RPM, e logo em sequência é acelerado até 5000 RPM, e conforme tabela 4, podemos verificar o aumento das pressões atuantes e vazão mássica. Figura 31

Pressão e vazão mássica com motor no ponto de 950 a 5000 RPM

          Com o motor no ponto verificamos conforme a figura 32, que a pressão de compressão atingiu a pressão máxima de 17,5 Bar em 3000 RPM, e começou a perder pressão nos regimes de 4000 RPM e 5000 RPM, logo a vazão mássica conforme aumentou a rotação do motor aumentou a vazão de ar, de forma linear em gramas/segundos, atingindo 24,89 g/s em 5000 RPM. Também verificou que em regime de marcha lenta a 950 RPM, a pressão de admissão opera em carga baixa, de 0,374 Bar, sendo 37% da pressão atmosférica a nivel do mar. A pressão de escape em 5000 RPM ficou em 0,680 Bar positivo acima da pressão atmosférica.

Pressão e vazão mássica com motor adiantado em 12° de 950 a 5000 RPM

          Foi adiantado o comando de válvulas em 12° graus, e aplicado o mesmo ensaio no motor para aquisição de dados. Observamos que a pressão máxima de compressão ocorreu em 2000 RPM, atingindo 14,91 Bar, e a vazão mássica em 5000 RPM atingiu 17,15 g/s, obtendo uma perda de vazão em relação ao motor no ponto. Notamos que a pressão de admissão em regime de marcha lenta 950 RPM, subiu em relação ao motor no ponto de 0,374 Bar para 0,468 Bar, contendo uma carga de 46% em relação a pressão atmosférica. A pressão de escape em 5000 RPM ficou em 1,381 Bar de pressão acima da pressão atmosférica, sendo 3,45% acima da pressão escape do motor no ponto, figura 33.

Pressão e vazão mássica com motor adiantado em 18° de 950 a 5000 RPM

          Foi adiantado o comando de válvulas em 18° graus, e conforme figura 34, foi verificado que a pressão de compressão máxima ocorreu no regime de rotação de 5000 RPM atingindo 12,97 Bar, logo a vazão mássica máxima em 5000 RPM atingiu 17,4 g/s. Podemos observar que a pressão de admissão em marcha lenta 950 RPM, atingiu 0,418 Bar, sendo 41% da pressão atmosférica. A pressão de escape em 5000 RPM atingiu 1,653 Bar acima da pressão atmosférica, sendo 4,1% acima da pressão escape do motor no ponto.

Pressão e vazão mássica com motor atrasado em 12° de 950 a 5000 RPM

          Foi atrasado o comando de válvulas em 12° graus, e conforme a figura 35, verificamos que a pressão máxima de compressão ocorreu em 3000 RPM, atingindo 15,63 Bar de pressão, e a vazão mássica atingindo 22,18 g/s em 5000 RPM. Observamos que a pressão de admissão em regime de marcha lenta 950 RPM, atingiu 0,461 Bar, sendo 46% da pressão atmosférica. A pressão de escape em 5000 RPM atingiu 0,545 Bar acima da pressão atmosférica sendo 1,36% acima da pressão escape do motor no ponto.

Pressão e vazão mássica com motor atrasado em 18° de 950 a 5000 RPM

          Foi atrasado o comando de válvulas em 18°, e conforme figura 36, verificamos que a pressão máxima de compressão ocorreu em 3000 RPM atingindo 16,61 Bar, e a vazão mássica em 5000 RPM atingiu 24,44 g/s. Notamos que a pressão de admissão em regime de marcha lenta 950 RPM, a pressão atingiu 0,470 Bar, sendo 47% da pressão atmosférica. A pressão de escape em 5000 RPM atingiu 0,613 Bar acima da pressão atmosférica, sendo 1,5% acima da pressão escape do motor no ponto.

CONCLUSÕES

Deslocamento da engrenagem do sensor de rotação CKP 60-2

          De acordo com dados adquiridos, concluímos que a mudança do grau da engrenagem do sensor de rotação CKP 60-2, deslocando o dente 20 do PMS do cilindro 1 e 4 para o dente 25 não afetou as pressões e vazão mássica do motor, mas sim no avanço de ignição, alterando o disparado de ignição de 8° APMS para 27° APMS em marcha lenta. O deslocamento angular da engrenagem do sensor de rotação CKP não afeta o sincronismo mecânico do motor do eixo comando de válvulas com o eixo virabrequim, conforme a figura 38, podemos verificar que a engrenagem CKP é presa concêntrica com a engrenagem do virabrequim de 19 dentes da figura 37.

Medição das pressões e vazão

Pressão de compressão

          Conforme dados da pressão de compressão do gráfico da figura 39, observou que a pressão máxima de compressão ocorreu em 3000 RPM na melhor condição para o motor no ponto, e na pior condição para o motor adiantado em 18° graus.

Pressão de admissão

         A pressão de admissão com o motor no ponto apresentou a carga mais baixa em regime de marcha lenta de 950 RPM, com 0,374 Bar, e com carga mais alta na configuração de 12° graus adiantado com 0,468 Bar.

Pressão de escape

          A pressão de escape em rotações de 5000 RPM apresentou uma pressão de 1,6 Bar de pressão para o motor adiantado em 18°. Concluímos conforme gráfico da figura 41 que com o fechamento antecipado da válvula de escape a pressão de escape é elevada em relação ao motor no ponto, em rotações de 5000 RPM.

Vazão mássica

          A vazão mássica do motor em todos os regimes de operação, mostrou conforme gráfico da figura 42, que a melhor configuração para a vazão mássica do ar foi com o motor no ponto, e a pior configuração para a vazão mássica do ar, foi com o motor adiantado em 18° graus.